凸台形表面冲击冷却换热及熵增的数值模拟研究

采用冲击换热方式对燃气涡轮导向叶片端壁外侧腔体进行冷却,对于延长燃气涡轮的使用寿命和保障其安全运行十分有效。采用数值模拟方法,对燃气涡轮导向叶片端壁外侧腔体内凸台形表面的冲击冷却换热性能进行研究,并对冲击换热过程的熵增进行分析。研究表明：随着冲击气流雷诺数的增大,冲击靶面与冲击孔面上的平均努塞尔数增大;雷诺数一定时,增大冲击靶距,冲击靶面和冲击孔面平均努塞尔数减小,但冲击靶面上的被冷却范围增大,换热更加均匀;增大凸台上表面的宽度,冲击靶面上的被冷却范围相对减小,冲击靶面和冲击孔面的平均努塞尔数分别减小与增大;凸台上表面比其两侧的下表面换热更好;冲击冷却过程的熵增主要来源于因黏性耗散产生的熵产及换热产生的熵流,流动涡旋区的熵产是熵增的主要原因。研究结论可为优化凸台形冲击腔的结构参数及操作参数,提高其冲击换热效果提供依据和参考。     

管内旋流特性与传热效果的关联性分析

应用数值模拟方法对内置扭旋元件的管内旋流特性与传热效果的关联性进行研究,首次提出表征螺旋流径向流动强度的"径流数"概念及表达式,并与表征螺旋流周向流动强度的"旋流数"进行对比,获得径流数,旋流数和努塞尔数随换热管轴向位置及雷诺数变化的对应关系.研究结果表明:旋流数和径流数均与努塞尔数沿换热管轴向呈现良好的匹配关系,变化趋势和极值位置几乎相同,而径流数与努塞尔数的吻合程度更优,说明通过扭旋元件旋流特性的研究在一定程度上可以替代传热特性研究,缩短扭旋元件的研发周期;管内努塞尔数均随着雷诺数的增大而提高,而旋流数及径流数受雷诺数的影响不大,没能反映出雷诺数对传热效果的影响,应对这两个参数进一步改进,扩大其应用范围.     

短周期风洞叶栅表面冷却特性实验

通过在高速风洞中对带气膜孔叶片进行冷却效率的详细测量,研究了进口雷诺数、出口马赫数以及二次流与主流流量比对气膜冷却效率分布规律的影响,测量了Re为200 000～600 000,Ma为0.37～1.16,流量比Mr为0.05、0.1、0.15时叶片表面的冷却效率。结果表明:叶片表面气膜冷却效率随马赫数的增大而减小,雷诺数对气膜冷却效率没有明显的影响;增大二次流流量可以提高压力面的冷却效率,降低吸力面的冷却效率。     

气膜冷却流场传热特性的数值分析

应用Realizablek-8紊流模型对吹风比为0．5、1．0、1．5和2．0的三维气膜冷却流场进行了数值模拟,分析了回流区和反向涡旋对（CVP）对射流下游壁面换热的影响。计算结果表明,壁面换热峰值点位于分离点附近,在分离点后,努塞尔数沿流动方向逐渐降低;努塞尔数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。     

涡轮叶片前缘冲击气膜复合冷却的数值研究

采用数值研究的方法,对一典型航空发动机旋转状态下涡轮叶片前缘冲击气膜复合冷却的流动与换热特性进行了研究分析.计算模型将孔出流结构简化为缝出流结构,并由进气块、前缘块和尾缘块组成.通过对不同旋转速度的计算结果分析可以看出:对所研究的冷却结构,其流场与换热分布要受到哥氏力、离心力和浮升力的影响.在所研究的范围内,雷诺数较低时前尾缘冲击面的平均Nu数分布出现波动现象;在雷诺数较高时,前尾缘冲击面的平均Nu数分布随转速的增大单调减小.     

不同孔间距气膜冷却的数值模拟

基于控制容积法和协调一致的求解压力-速度藕合方程的半隐方法(SIMPLEC),采用Realizable κ-ε紊流模型对不同孔间距的气膜冷却流场的传热特性进行了数值模拟.通过比较不同孔间距K的冷却效率,得出:K 较小时有助于提高中心孔的气膜冷却效率;K 越小的射流其射流孔间冷却死区消失的越快,并在中心孔位置附近有较高的冷却效率;气膜的覆盖区域是随着 K 的增加而增大的,K=2.5与 K=2工况的覆盖面积基本相同,K=2则比K=2.5工况拥有更高的气膜冷却效率.     

管网方法在双层壁冷却结构设计中的应用

为快捷有效地计算涡轮叶片双层壁复合冷却结构的冷却特性,将一套适用于气冷叶片换热模拟的管网耦合算法应用于所设计的双层壁内冷叶片上.结合冷却流路的一维管道网络算法以及壁面单元与对应外流场网格间的插值过程,形成HIT3D-Coolnet管网耦合程序,并参考有测量数据的涡轮叶片算例验证其模拟有效性.针对新型的双层壁冷却结构,在已有叶型的基础上初步构建3种配气方式的复合冷却方案.用HIT3D-Coolnet快速得到叶片外壁温度信息以甄选初始方案,借助全三维数值模拟分析初选方案双层壁结构内的流动特性,并据此采取措施改善初始设计.流场分析表明,导入腔内的冷却空气冲击腔壁,并在腔室空间内形成特定的旋涡结构,有效地强化了内部对流换热.在合理的冷气分配下,双层壁冷却技术可获得较好的冷却效果.     

突片激励射流冲击冷却的实验研究

对突片激励射流冲击冷却特性进行实验研究,分析突片形成的流向涡对冲击换热特性的影响,总结了双排射流孔的传热规律. 实验结果表明,在双排突片射流冲击冷却中,突片具有改善冲击换热特性的作用,射流孔的排列方式以及两排孔之间流向孔间距的变化对冲击靶面的温度分布具有较大的影响,叉排孔的有效冷却范围更大,冷却效果更好.     

螺旋槽管强化传热数值模拟及其场协同分析

利用Fluent软件分别对光管、单头螺旋槽管及双头螺旋槽管传热及管内流动情况进行模拟,得到了湍流状态下管内流场分布云图,并从场协同理论出发,分析了螺旋槽管强化传热机理.仿真结果显示,在低雷诺数条件下,螺旋槽使管内产生较多的二次流,速度在横截面上的分量增加,努塞尔数保持为光管的1.6~2.2倍,换热性能优于光管,并且双头螺旋槽管的换热性能要优于单头螺旋槽管.但随着雷诺数的增加,场协同角逐渐接近90°,努塞尔数增加趋势变缓,换热性能增加量变缓,而且当雷诺数较高时,螺旋槽管的阻力系数急剧上升,换热性能不及光管.     

圆柱孔平板气膜冷却的数值模拟

为研究单排圆柱孔平板气膜的冷却特性,利用标准kε湍流模型对倾斜角为35°、吹风比M=0.5、1.0和1.5等工况下的圆柱孔平板气膜冷却模型进行了流动和传热的数值模拟.分析了气膜冷却绝热效率η、孔口平均速度U、射流中心面和纵向横截面的速度矢量以及壁面温度等物理量,对比了吹风比对气膜冷却效果的影响,得出最佳冷却效果的工况为M=1.0.比较了计算结果与相同条件下的实验值,验证了数值计算的正确性.结果表明:在大部分的物理区域内,模拟值与实验值吻合度较好,这种方法具有时间短、简单、经济的特点,适合工程领域应用.     

错排射流冲击受限短通道内流场的实验研究

用五孔针对简化后的涡轮叶片错排射流冲击受限短通道流场进行了详细的测量,着重研究受限通道内各截面的流动规律,以及射流孔错排布置、出流孔、通道高度比和射流雷诺数对通道流动特性的影响。实验结果表明:通道高度比的变化会显著改变通道内的流场结构;在同一高度比下,射流雷诺数变化对流场结构的影响很小;出流孔的抽吸作用使附近气流加速并在通道内出流孔位置形成一局部低速区;受错排射流诱导及冲击靶面后壁面射流反卷通道内形成漩涡,使高速气流向通道侧壁甚至孔板面集中,该结果有助于深入了解错排射流受限通道内冲击冷却的内在机理。     

扇形和圆形气膜冷却直孔的流场和传热实验研究

对锥顶角（扇形角）γ分别为１５°和３０°的垂直扇形气膜冷却单孔射流下游的流场和传热进行了详细的实验研究，并与相同实验条件下圆孔射流的情形进行了比较。结果发现，扇形喷口下游的速度边界层等值线具有两种基本的分布形态，即使在高吹风比Ｍ＝２．０时，扇形孔的下游也没有明显大于主流速度的射流区域出现。吹风比Ｍ≥１．０时喷孔两侧边缘处沿流向形成了一对转向相反、强度较弱的纵向耦合涡。在相同的吹风比下，扇形喷孔出口面积的增大能够有效地降低耦合涡的强度和Ｖ、Ｗ速度分量，从而提高了气膜冷却效率，尤其是提高了喷孔两侧下游位置上的冷却效率。在喷孔中线下游位置上，当吹风比Ｍ＝０．３时，扇形角γ的变化对冷却效率几乎无影响，而当吹风比Ｍ≥１．０时，扇形喷孔较圆孔的冷却效率明显高得多。在喷孔中线两侧ｚ／Ｄ＝１．３的位置上，当扇形角相同时，吹风比低的射流冷却效率较高；当吹风比相同时，扇形角γ＝１５°和３０°的冷却效率非常接近。     

不同孔型对气膜冷却效果影响的数值模拟

为了解气膜冷却技术中孔型作用的影响,采用数值模拟方法,在主流速度20 m/s,湍流度6％,主、射流温分别为333 K和293 K的条件下,考察无复合角、流向角为35°时的圆柱孔、收缩-扩散孔和反涡孔进行平板气膜冷却的冷却效果.其中,圆孔孔径12.7mm,长径比3.5,与集气室连接面形式同于其余孔型.模拟过程中,湍流Real-izable k-ε方程,标准壁面函数处理边界,SIMPLEC算法实现压力、速度耦合.结果表明:由于反涡射流抑制了肾型涡的形成并减弱了肾型涡的强度,反涡孔的冷却效果和覆盖区域优于其他两孔型.     

汽轮发电机冷却风扇的数值模拟及优化

为了深入研究汽轮发电机冷却风扇内的流动规律,并对其设计提出合理优化方案,对某汽轮发电机轴流式通风冷却风扇的原始模型在流量为25m3/s的工况下进行了CFD流场数值模拟,通过改变叶片安放角和叶片扭转角,得到冷却风扇计算效率和叶片安放角及叶片扭转角之间的关系.计算结果表明:在一定范围内,风扇效率和叶片安放角及叶片扭转角之间都呈近抛物线变化关系,在特定叶片安放角和叶片扭转角附近风扇效率最高.经叶片修型后的轴流风扇效率较原模型提高了15.8%.     

水雾/蒸汽相变冲击冷却的数值模拟

利用ANSYS-CFX软件对T.Wang等人实验研究的水雾/蒸汽相变冲击冷却系统进行了数值模拟.并与蒸汽单相冲击冷却数值计算结果进行比较,数值研究水雾对冷却的强化作用.相变计算过程中,蒸汽作为连续相,直径为5 μm的水滴作为离散相;水滴在接近高温壁面过程中吸收汽化潜热,发生相变,变为水蒸气,以此达到强化冷却的作用.数值分析结果与实验数据比较接近,壁面加热热流为3 000 W/m2,加入4%浓度水滴的结果表明,由于水雾的作用在滞止点附近热传导系数比蒸汽单项冷却提高130%左右,在远离滞止点区域冷却效果减弱,在距离滞止区6倍喷射宽度时,冷却效果减少到可以忽略的水平;水滴的汽化吸收的热量对于冷却作用的贡献比较大.     

空气流动换热数值计算模型适用性分析

为了提高空气流动换热数值计算结果精度,本文针对可压缩空气开展模型、数据处理方法的适用性研究.本文基于开式反应堆内通道,采用计算流体力学方法,在雷诺数1万～40万、温度450～1200 K的范围内,针对可压缩性、定性温度及粘性加热效应等空气流动换热的关键问题,得到不同湍流模型下加热空气管流的平均换热系数;结合经典传热关系式,确定了数据处理方法并讨论了粘性加热效应的影响特点.计算结果表明:Realizable k-ε模型更适宜高温高速可压空气流动;采用进出口平均温度作为定性温度,得到的传热关系式与经典关系式误差在10％以内,满足计算要求;计算中应考虑粘性加热效应,该效应仅会使高雷诺数工况的努塞尔数Nu减小.本文可为精确计算空气流动换热特性提供依据.     

棘轮型超紧凑燃烧室全覆盖气膜冷却性能

针对新一代棘轮型超紧凑燃烧室壁面的高温问题,对全覆盖气膜冷却的方式进行了研究。在对KJ-66微型涡喷发动机实验与模拟的基础上,将原燃烧室替换为缩放优化后的棘轮型超紧凑燃烧室。在实际燃烧工况下,对突扩段斜坡和二次补燃区内环上的高温壁面进行全覆盖冷却研究,比较了不同排布方式、孔倾角和扩张型气膜孔对气膜冷却效果的影响。结果表明:突扩段斜坡上圆柱型气膜孔的气膜覆盖性不理想,综合气膜冷却效果欠佳,并且不同排布方式与孔倾角对气膜冷却效果的影响不大;扩张型气膜孔对斜坡的气膜贴壁性和冷却效果都有很大的改善,在45°孔倾角,出口直径0.6 mm的扩张孔模型中,由吹离高温火焰面与气膜叠加覆盖产生的综合冷却效果达到最优;在主流高离心力场的影响下,吹风比较大时二次补燃区下游也能获得较好的气膜贴壁效果;排布方式对二次补燃区气膜冷却效果的影响比孔倾角更明显。在实际燃烧工况下全覆盖气膜冷却对棘轮型超紧凑燃烧室壁面有很好的冷却作用,扩张型气膜孔能有效改善气膜冷却效果。     

不同冷却方式对高温后混凝土性能退化研究

对在不同受热温度、不同冷却方式下的不同尺寸混凝土立方体试块的全应力-应变曲线进行测试,分析了高温后冷却环境对混凝土性能退化的影响.结果表明,与常温混凝土试块相比,受热温度和冷却方式对高温后混凝土强度和变形性能有较大的影响,随温度的升高,自然冷却和喷淋冷却的试块峰值应力逐渐减小,但极限受压变形性能较常温均增大.不同冷却方式对混凝土的抗压强度的影响不同:在250℃高温后采用"自然冷却"方式下的试块抗压强度较"喷淋冷却"方式强度高;而450℃和650℃高温后"自然冷却"方式下的强度较"喷淋冷却"方式的抗压强度低;850℃高温后的混凝土在正常环境放置7 d后发生坍塌,强度完全丧失.同时提出不同尺寸的试块高温后抗压强度的尺寸效应系数.     

控制冷却参数对普碳钢组织性能的影响

以普碳钢为研究对象,对轧制后的板材进行控制冷却实验.结果表明,采用轧后自动控制冷却系统进行控制冷却,可以保证终冷温度与目标值误差在10℃以内,达到了较高的控制精度.经拉伸和冲击实验及带状组织分析发现,提高控制冷却工艺的开冷温度,对控冷参数进行优化可显著细化晶粒、改善性能,使普碳钢的力学性能指标由国家标准的Q295级上升到Q390D级.     

动量比对气膜冷却效率影响的数值模拟

为了研究动量比、湍流度和密度比对圆柱形气膜孔流动的影响规律,文章采用数值模拟方法,研究了圆柱形气膜孔的冷却效率,并与实验值进行了对比.结果表明,随着动量比的增大,二次流在气膜孔出口处逐渐偏离叶片;气膜孔出口下游存在1个高速区域,动量比增大,这一区域的速度随动量比的增大而减小.在湍流度和密度比保持不变的情况下,随着动量比增加,冷却效率计算值随着距离的增加在总体上呈现逐渐减小的趋势.在低密度比下,湍流度对冷却效率影响不大;当密度比为1.5时,湍流度的不同导致冷却效率产生显著差异,密度比越小,冷却效率越低.在喷口处,数值计算值与实验值存在一定的差异.数值模拟的结果能够定性地反映气膜孔的流动特性.