流向涡对扇形孔气膜冷却效果影响的实验研究

在平板气膜实验台上安装涡流发生器(VG)来模拟叶栅中的流向涡,利用红外相机测量吹风比M=0.5～2.5时的气膜冷却效率和传热系数,分析二次流对扇形孔气膜冷却效果的影响.结果 表明:流向涡增强了主流与气膜射流的掺混,导致气膜绝热冷却效率明显下降以及覆盖面积减小,气膜面平均冷却效率最高降低了63％;当吹风比达到2.5时,流向涡能抑制扇形孔射流在高吹风比时的吹离趋势,抵消了部分主流与冷气掺混导致的气膜横向平均冷却效率降低的影响;流向涡使气膜与壁面的横向传热系数比增大了3.5％,壁面的热通量比最高上升了20％,在低吹风比时气膜失去了对壁面的保护作用.     

双叉排孔脉动射流气膜冷却效率的实验与数值模拟研究

采用高精度红外热像仪测量了平板绝热气膜冷却效率,比较了双叉排孔和单排孔气膜冷却效率,分析了吹风比(M=0.65,1.0,1.5)和脉动频率(St=0,0.01,0.015,0.025)以及孔间作用对气膜冷却效率的影响,结合数值计算得到的瞬态流场和温度场分析了脉动射流气膜冷却下的流动传热机理。结果表明：在稳态射流工况下,单排孔的气膜冷却效率随着吹风比的增加而减小,双叉排孔的气膜冷却效率却随着吹风比的增加而增大;在脉动射流时,单排和双叉排孔的气膜冷却效率在低吹风比下低于稳态射流,在高吹风比下,脉动射流对气膜冷却效率的影响减小,且低频脉动射流气膜冷却效率略高于稳态射流。     

姊妹孔平板气膜冷却效率的数值模拟

利用Fluent软件对Navier-Stokes方程进行求解,采用Realizable k-ε模型研究了30°、45°和60°3种夹角姊妹孔射流对气膜冷却效率的影响,讨论了2个次孔夹角角度对流动温度场和姊妹孔平板冷却效率的影响.结果表明:姊妹孔主要是通过2个次孔产生的涡旋结构和主孔涡旋结构相互作用来提高冷却效率的,将被抬离的射流中心向横向方向拉拽,破坏反向对涡旋,将升力变为展向拉力,既提高了射流贴壁性又增大了展向覆盖面积;姊妹孔夹角为30°时,平板的气膜冷却效率最高.     

气膜孔布置对旋流双层壁结构流动传热特性影响研究

为了研究气膜孔复合角和孔排布方式对冲击诱导旋流气膜双层壁冷却流动与耦合传热的影响,采用流固耦合的数值计算方法,对不同吹风比下4种气膜孔复合角的综合冷却效率和射流流动结构进行了详细研究,同时研究了两种气膜孔排布方式对旋流双层壁结构流动和传热的影响,揭示了4种气膜孔复合角θ下射流空间旋涡的形成、发展和演化过程,并对比分析了不同吹风比下4种气膜孔复合角对面积平均综合冷却效率和总压损失系数的影响。结果表明：气膜孔排布方式不同时,气膜孔复合角对综合冷却效率的影响相差较大。吹风比为1.0时,单旋流交错排布方式下增大气膜孔复合角可以有效提高射流的展向覆盖范围,从而提高综合冷却效率,θ=30°时的面积平均综合冷却效率比θ=0°时高约14.22%;双旋流交错排布时θ=30°比θ=0°时的面积综合冷却效率提高约4.58%。吹风比增加到2.0时,由于射流穿透主流吹离了冷却壁面,降低了气膜保护效果,使得冷却壁面均匀性变差,并且双旋流交错排布时尤为明显。随着吹风比的增加,两种气膜孔排布方式的总压损失系数均呈指数形式增加。     

孔间距对缩放槽缝孔气膜冷却效率的影响

基于有限体积法对三维定常不可压缩N-S方程进行离散,采用分区域非结构化网格及两层k-ε湍流模型,在吹风比M为0.4、0.8和1.6的情况下,数值研究了孔间距(P/D=3.0、3.5、4.0)对缩放槽缝孔气膜冷却效率的影响,对不同孔间距气膜冷却整体效果进行了对比分析。结果表明:孔间距较小时,在孔口附近及孔间区域发生强烈的气膜干扰,冷却气膜分布比较集中,在孔口下游近处冷却效率较高;随着孔间距的增大,气膜覆盖面积增加,孔口附近的冷却效率低于小孔距,各个孔沿展向的冷却效率也有所降低,在孔下游远处发生的气膜干涉较为明显;在低吹风比时,孔间距较小气膜孔的冷却效果最好,在高吹风比时,孔间距较大气膜孔对壁面的冷却效果与低吹风比相比有大幅度的改善。     

气膜孔形状对冷却效率影响的数值研究

采用控制容积法对三维定常不可压缩雷诺时均紊流方程(N-S方程)进行了离散,并在吹风比M为0.6和1.2的情况下,利用非结构化网格及两层k-e湍流模型,对气膜孔几何形状对涡轮叶片气膜冷却效率的影响进行了数值模拟,得到气膜孔附近的流场分布.结果表明:圆柱形孔的冷却效率随吹风比的增大而明显降低.前向扩张孔的冷却效率优于圆柱形孔,射流在叶高方向上扩展较广,在侧向孔间区域的气膜冷却效率较高.缩放槽缝孔在不同吹风比下的冷却效率均高于圆柱形孔和前向扩张孔,而且在孔下游较远区域,2个孔之间沿叶高方向的气膜覆盖性较好.缩放槽缝孔和前向扩张孔不同程度地抑制了反向涡旋对的产生,因而提高了射流对壁面的贴附性,增强了壁面的冷却效果.     

新型缩放槽缝孔气膜冷却效率的数值研究

基于控制容积法对三维定常不可压缩N-S方程进行离散,采用分区域非结构化网格及两层k-ε湍流模型,在吹风比M=0.6～1.5的情况下,对新型缩放槽缝形气膜孔进行了详细的平板气膜冷却数值汁算,得到了在喷孔射流下游处及叶高方向上的气膜冷却效率,并研究了其孔长与孔径比L/D对冷却效率的影响.计算结果表明:高吹风比对缩放槽缝孔沿中心线冷却效率的影响较为复杂;缩放槽缝形气膜孔下游的冷却效率并不随吹风比的变化而单调变化,而是在吹风比为1.0时存在最佳值;在孔口下游较远区域,两个相邻孔之间沿叶高方向的气膜覆盖性较好;缩放槽缝孔的冷却效率随着其孔长与孔径比L/D的增大而增大,当L/D>8时,增加的幅度趋缓.     

气膜孔堵塞对叶片吸力面气膜冷却的影响

为阐明热障涂层工艺造成的气膜孔堵塞对气膜冷却的影响机理,采用数值模拟方法研究了叶片吸力面在气膜孔堵塞比为0.2、0.5和0.8,吹风比为0.5、1.0、1.5和2.0时的气膜冷却效率变化.结果表明:堵塞比越大,气膜冷却效率下降幅度越明显,孔下游气膜覆盖面积越小;相比无堵塞情况,堵塞比为0.8时展向平均气膜冷却效率退化为51％～98％,堵塞比为0.5时展向平均气膜冷却效率退化为24％～86％,堵塞比为0.2时展向平均气膜冷却效率退化小于5％;中小堵塞比时气膜冷却效率受吹风比变化的影响明显,大堵塞比时气膜冷却效率受吹风比变化的影响较小;随着堵塞比的增大,孔内喉部区域冷气出流时动量增大,冷气射流得到抬升,使气膜贴附性大幅变差.     

旋转状态平板收敛缝形气膜孔改善 冷却效果的数值研究

数值研究了旋转状态下收敛缝形气膜孔结构的冷却特性，并与圆形孔对比，得到收敛缝形气膜孔具有改善气膜冷却效果的特性。结果表明：旋转条件下，气膜的偏移使得展向冷气覆盖的区域增大，收敛缝形气膜孔的展向冷却有效范围明显优于圆形孔，同时对主流的穿透率较低，说明旋转时收敛缝形气膜孔的贴壁性依然较好；各种转速条件下，圆形孔的气膜在大吹风比工况呈现脱离壁面的特点，而收敛缝形气膜孔可以更好地形成气膜保护壁面，从而增强冷却效果；研究范围内，随着吹风比的增加，收敛缝形气膜孔的优势越加明显，虽然气膜孔出口处出现冷却效率稍低的现象，但在冷却范围、冷却效率以及冷却均匀性等方面均优于圆形孔，从而可起到改善冷却效果的作用。     

平板气膜冷却孔下游湍流场的试验研究

利用二维粒子图像测速（PIV）技术,在吹风比为0.5和1.0、雷诺数为480时,对平板直冷却孔和弯曲冷却孔下游湍流场的流动结构进行了测量,得到了中心截面及射流下游4个流向横截面上的平均速度、涡量分布以及烟雾显示照片,并分析了弯曲冷却孔通道对下游涡结构沿流向演化过程的影响.结果表明：冷却孔射流具有较低的射流轨迹,可以增强气膜的贴附效果,有利于提高冷却效率;弯曲冷却孔能为气膜提供较强的横向动量,使其具有较高的横向扩展能力,从而改善气膜的侧向覆盖效果.     

基于流热耦合的燃气轮机透平叶顶冷却设计

燃气轮机透平叶顶区域存在复杂的流动和换热问题,承受很高的热负荷。为了降低透平动叶叶顶温度,在透平叶顶现有结构的基础上提出气膜冷却和气膜+内冷通道冷却两种叶顶冷却方案,并通过流热耦合计算分析冷却升级前后叶顶区域的换热和流动特性。研究发现：叶顶气膜冷却方案可有效降低叶顶温度,特别是叶顶前缘至中弦区域;而气膜＋内冷通道冷却方案基于外部气膜冷却,结合内部冷却通道设计,可进一步降低叶顶尾缘的温度;与原型叶片相比,气膜+内部冷气通道的复合冷却设计可以使叶顶尾缘最高温度降低24 K。     

具有新型双层壁结构的透平叶片流热耦合研究

多通道壁面射流冷却结构是一种新型的燃气透平动叶内部冷却结构,具有消耗冷气少、压力损失小等优点。本文构建了简化的壁面射流冷却叶片与GE-E3冷却结构叶片模型,采用流热耦合方法对比研究了其流动与换热特性。结果表明,壁面射流冷却通道内的狭小空间抑制了横流的产生,冷气在冷却通道中形成了流向涡;前缘冷气流道中的大量冷气流经吸力侧冷却区,并从出口压力更小、面积更大的尾缘排出,使得前缘气膜孔出流的冷气流量和动量较小,冷气在叶片外表面的气膜覆盖特性更好;离心力的影响导致前缘冷气流道中叶根处的压力较低,叶根附近的气膜孔出现燃气主流入侵现象。相比于GE-E3叶片,壁面射流冷却叶片的前缘温度和温度梯度都较小,因此多通道壁面射流冷却在前缘具有更优异的冷却特性。     

冷却空气量对涡轮冷却性能影响综述

涡轮冷却技术被广泛应用于航空发动机及燃气轮机涡轮研发中,冷却空气的引气量成为影响整机效率的重要因素之一。本文基于现代燃气轮机及航空发动机涡轮叶片采用外部冷却与内部冷却结合的复合冷却的技术发展背景,综述了国内外在冷却空气量对涡轮叶片冷却性能影响方面的研究进展,分析并总结了冷却空气量对气膜冷却、交错肋冷却以及对综合冷却效率的影响规律,并对未来的研究方向给出了一定的建议。分析表明：对气膜孔形状的探索是未来气膜冷却技术研究的重点;交错肋研究主要处于定性研究阶段,对定量研究方法的探索是目前的发展趋势;对综合冷却效率的研究还处于起步阶段,未来可以从外部冷却和内部冷却之间的相互作用关系方面对综合冷却效率开展进一步的研究。     

涡轮叶片冷却数值模拟进展

本文概括总结了近年涡轮叶片冷却数值模拟的研究成果：对通道内部对流，总结了哥氏力和浮升力对Nu数和温度分布规律的影响；对于气膜冷却，总结了不同紊流模型情况下，叶片表面的Nu数分布以及各种紊流模型在模拟流动和换热方面的优劣；对于冲击冷却，总结了冲击各种表面情况下，滞止和平均Nu数分布规律和冷却效率对冲击距离设计的影响。了解了涡轮空冷叶片的数值模拟的现状，为今后空冷叶片的数值模拟提供一定的指导。     

Indoor temperature reduction by passive cooling systems

This chapter will present experimental data from studies in test cells, and from monitoring indoor temperatures in un-occupied and in occupied buildings, when data was available, regardless of the dates of the research, not just recent research. In many cases where sufficiently measured data of the outdoor and the indoor temperatures was available, formulas have been generated, expressing the indoor temperatures of the building or the test model as a function of the outdoor temperatures. In cases where long-term monitoring has been conducted, predicting formulas were generated: data from one period was used for the generation of the formulas while the data other period was used for their validation. All the formulas represent the experimental data and conditions of the various studies. They are not intended to be used for general prediction of the performance of the tested passive cooling system.     

管带式散热器结构的变化对冷却系统性能的影响

传统的冷却系统(主要包括水箱和中冷器在内)设计主要只考虑散热面积的多少以及流过冷却系统的冷却水流量,通过提高散热面积(或加大体积)来提高冷却性能,而没有考虑到通过散热器本身的结构参数的调节去改变或者提高散热性能。基于同一发动机性能参数,在改变散热器结构参数的情况下作了多个水箱和中冷器的样品,针对不同的组合作了多组对比试验,通过试验结果来分析冷却系统结构参数上的变化对散热性能的影响。     

Fundamental Research on Convective Heat Transfer in Electronic Cooling Technology

During the past six years comprehensive research programs have been conducted at the Beijing PolytechnicUniversity to provide a better understanding of heat transfer characteristics of existing and condidate cool-ing techniques for electronic and microelectronic devices.This paper provides a review and summary of theprograms with emphasis on direct liquid cooling.Included in this review are the heat transfer investigationsrelated to the following cooling modes:liquid free,mixed and forced convection,liquid jet impingement,flowingliquid film cooling,pool boiling,spray cooling,foreign gas jet impingement in liquid pool,and forced convectionair-cooling.     

冷却通道参数对发汗冷却性能影响的数值研究

为了解决传统多孔材料孔隙结构不可控的问题,制备具有可控微冷通道的冷却结构对提高涡轮叶片冷却效率有着重要意义。为了研究不同冷却通道参数对叶片发汗冷却效率的影响,通过数值模拟方法研究了不同注入比下,仿生树形通道和传统直孔通道发汗冷却多孔板的换热特性及流动机理。同时,研究了6种不同模型参数多孔板在不同注入比下的冷却性能及流场的变化情况。研究结果表明：在内表面比和冷却剂出口面积基本一致的条件下,仿生树形多孔板具有更高的冷却效率;当注入比为2%时,仿生树形多孔板的平均冷却效率提高了5%,且存在一个最佳的注入比使得整体的冷却效率最高;冷却剂的出口面积是影响发汗冷却效率的关键性独立参数,与冷却剂的注入比大小有关;孔隙率对整体的冷却效率影响较小,内表面积比越大,发汗冷却的整体冷却效率越高。     

基于辐射供冷的太阳能吸收式空调试验研究

对基于辐射供冷的太阳能吸收式空调系统进行了试验。该系统采用96 m2的U型管式真空管太阳能集热器驱动额定制冷量为8 kW的吸收式制冷机组,吸收式制冷机产生的冷冻水被输送到辐射吊顶中,为50 m2的实验室提供夏季空调。吸收式制冷机运行在夏季晴朗天气时,平均制冷量为4.5 kW。辅助独立除湿机组与辐射吊顶联合运行。试验房间的热舒适指标PMV为-0.29~0.32,可满足热舒适要求。     

燃气轮机透平叶片传热和冷却研究：内部冷却

随着燃气轮机透平进口温度的不断提高,其换热与冷却问题已然成为现代高性能燃气轮机研发中亟待解决的核心关键技术之一.透平叶片的冷却可以分为内部冷却和外部冷却,结合作者近年的研究工作,详细综述了燃气轮机透平叶片内部换热与冷却问题的研究现状与进展,着重介绍了叶片内部蛇形通道冷却、叶片内部冲击冷却和前缘的旋流冷却及尾缘柱肋冷却,指出了它们各自在相关方面需要进一步开展的工作.其中：在蛇形通道冷却方面,需要进一步研究旋转状态下蛇形通道内流动与换热特性、发展高性能的扰流装置及通道弯头结构、设计新颖高效的叶顶内部冷却结构、获得带气膜孔或冲击孔的蛇形通道内的换热与冷却特性;在叶片前缘内部冲击冷却方面,需要研究不同曲率面上的冲击冷却换热特性、旋转条件下的冲击冷却以及冲击气膜复合冷却特性;在旋流冷却方面,需要对其结构参数的影响开展进一步的广泛研究,并开展旋转状态下旋流冷却特性的研究;在尾缘柱肋冷却方面,需要进一步研究复杂流场下柱肋阵列通道中的流动换热与众敏感因子之间的关系.