不同孔型平板气膜冷却特性的数值模拟

为研究不同射流孔型对气膜冷却效率的影响,基于SIMPLEC算法,采用RNGκ-ε湍流模型,对射流倾斜角为35°的圆柱孔、扩散孔和横向扩散孔的平板气膜冷却模型进行了数值模拟。得到了不同吹风比M下的3种孔型的绝热气膜冷却效率曲线、速度矢量图和壁面温度分布。结果表明：横向扩散孔的气膜冷却效果优于圆柱孔和扩散孔,其产生的反向涡旋对的尺度最小,孔间的气膜冷却效果也较好。     

复合角及排列方式对平板气膜冷却效果影响的实验研究

在回流风洞实验段中,以平板气膜冷却作为研究对象,运用红外热像技术监测沿主流流向不同横向截面的平板壁面温度分布,对比分析横向气膜冷却绝热效率。结果显示:采用30°流向倾角,普遍存在小吹风比工况较大吹风比工况有更优横向气膜冷却绝热效率的现象;复合角的存在可以改变射流流场,提高横向冷却绝热效率;排孔布置有利于提高平板整体冷却绝热效率,并且插排可以有效避免热应力集中。     

基于红外热像技术的不同复合角气膜冷却实验研究

以平板气膜冷却为研究对象,基于红外热像技术,实验研究了射流角度α=30°时,不同复合角(β=15°,30°,90°)在吹风比M=1.0时对平板气膜冷却效果的影响。单孔情况下,随着复合角的增大气膜冷却区域发生偏转,且复合角越大,偏转越明显;β=90°时,射流平板冷却效果优于其他复合角,且其横向分布更为均匀;将不同复合角气膜孔单排布置时,平板绝热冷却效率相对于单孔有所提高,孔与孔之间的冷却死区随着复合角度的增大而减小,β=90°时获得的气膜冷却效果更为理想。     

冷却孔复合角和排列方式综合作用对平板气膜冷却效果的影响

研究复合角和排列方式综合作用对平板气膜冷却效果的影响。采用数值模拟的方法,保持射流圆孔尺寸、间距及倾斜角不变,分别对四种孔阵的平板气膜冷却进行了流动和传热的分析。利用Realizable k-ε湍流模型,标准壁面函数边界处理和SIMPLE算法,分析速度、涡量、冷却效率,对比冷却孔复合角和排列方式综合作用对平板气膜冷却效果的影响。结果显示:复合角和叉排同时存在时可改善平板展向上的冷却效果,而在平板流向上对冷却效果的影响不明显。结合吹风比得出较优的孔排方式。     

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.     

微型涡喷发动机燃烧室全覆盖气膜冷却

为了延长微型涡喷发动机燃烧室的使用寿命,针对燃烧室壁面高温区进行全覆盖气膜冷却研究. 在KJ-66微型涡喷发动机试车实验的基础上,比较实际燃烧工况下,排布方式和燃烧室外环的扩张孔对气膜冷却效果及燃烧室整体性能的影响. 结果表明,在实际微型涡喷发动机模型中,顺排的平均综合冷却效率低于叉排,但对壁面的综合降温效果优于叉排. 随着扩张孔出口直径的增大,气膜冷却效果逐渐改善,但会影响燃烧室出口温度分布的均匀性. 由于燃烧室后排冷却孔的影响,二次流射入主流会发生偏转,提升了气膜的冷却效果. 整体而言,全覆盖气膜冷却在实际燃烧工况下对燃烧室壁面有着很好的冷却作用,扩张型气膜孔能够有效改善燃烧室外环的气膜冷却效果.     

平板气膜冷却孔中心线上绝热效率的实验研究

以优化冷却孔射流角度和射流参数为主要实验目的,将平板气膜冷却作为研究对象,应用红外热像仪作为温度监测手段,研究不同角度的简单和带有复合角的复杂圆形孔射流对平板中心线上气膜冷却绝热效率的影响。在吹风比分别为M=0．5、1．0、1．5时,实验研究了简单圆形孔射流角度α=35、60、90°和带复合角β=15、60、90°圆形孔的不同排列下平板中心线上气膜冷却的绝热效率。结果表明：在简单孔情况下,射流角α=35°时绝热效率较好,带复合角情况下,β=90°时较高。双排布置时绝热效率比单排的要高很多,其中插排最佳。     

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。     

带单排气膜孔导向叶片前缘气膜冷却实验研究

针对导向叶片前缘结构的特点,建立了前缘气膜冷却实验台,实验模型由半圆柱面和2个平板组成,在距离滞止线2倍气膜孔直径位置布置了1排气膜孔.详细地测量了动量比对前缘径向平均换热系数和冷却效率的影响.二次流与主流密度比为1.5.动量比变化范围为0.5～4.主流在前缘位置的湍流度为0.4%和8%.研究结果表明,随着动量比的增加,换热系数增加,冷却效率减小.低动量比时气膜冷却使热负荷减少,高动量比时气膜冷却使热负荷增加.     

气固热耦合对微尺度气膜空气静压轴承承载特性的影响

当空气静压轴承工作气膜处在微米尺度时,气膜内压力分布具有显著的温度敏感性,严重影响轴承系统的承载能力和刚度特性.本文基于气体润滑理论和稀薄气体动力学,结合边界滑移和热耦合分析技术,通过数值分析的方法研究考虑温度影响所引起的空气静压轴承气膜局部变形问题,对系统的承载能力和刚度特性进行理论分析和实验研究.研究结果表明:气固热耦合效应会使微米级气膜内部发生不均匀的膨胀变形,导致空气静压轴承内部流场发生变化.气膜的最大变形量随温度升高呈线性增长,当温度达到250℃后趋于稳定;随着气膜厚度的增加,空气静压轴承气膜内部对温度的敏感性逐渐减小;考虑热耦合效应的轴承压力分布和承载能力低于传统层流假设下理论计算所得结果,因而在高精密、微米级气膜和极端温度条件等场合设计使用空气静压轴承时,必须要考虑环境温度和系统工作温升带来的热耦合效应影响.     

X70管线钢热轧钢卷冷却过程中的相变与应力变化

为了分析钢卷冷却对带钢板形的影响,运用有限元方法研究了层流冷却后的X70管线钢热轧钢卷冷却过程,建立了热轧钢卷热力耦合模型,计算了卷取温度分别为500℃和550℃时冷却过程中的钢卷温度、相变体积分数、残余应力.模型考虑了钢卷径向层间接触对传热的影响,以及钢卷内径壁、外径壁和2个端面的换热系数的差异.结果表明:冷却过程中,钢卷的温度和相变不均匀使得钢卷的切向上边部受拉应力,而中部受压应力;钢卷在550℃卷取后,带钢边部20 mm以内的拉应力超过基体的屈服应力,板形有边浪趋势;降低带钢的卷取温度至500℃促进相变充分进行,有利于钢卷冷却后残余应力的降低.开卷后X70管线钢的边浪和横向C型弯曲板形是不均匀的层流冷却和不均匀钢卷冷却共同作用的结果.     

混凝土厚板静态破碎试验研究

为考察孔深和外围孔与内孔灌入破碎剂浆体的间隔时间对混凝土厚板静态破碎效果的影响,开展了7个混凝土厚板试件的静态破碎试验。垂直于厚板顶面钻孔,并在破碎前沿孔连线及其延长线方向双向切断厚板上部纵筋。试验结果表明：孔深小于板厚的70%时,破碎剂浆体结硬膨胀引起的裂缝已无法向下延伸至厚板底部;孔深由板厚的70%增至90%时,破碎效果逐渐提高,但破碎后形成块体的最小短边尺寸和最大长边尺寸相近,孔深为板厚的80%时,破碎后形成块体的数量最多;先外围孔灌入破碎剂浆体,经历一段时间浆体结硬膨胀后再向内孔灌入破碎剂浆体,与所有钻孔同时灌入破碎剂浆体相比,破碎效果提高,其中对外围区域的提高比对内部区域的提高明显,此外,破碎后形成块体的数量、最小短边尺寸和最大长边尺寸相近。基于试验结果,给出如下建议：破碎混凝土厚板时,孔深应取为板厚的80%;宜采用先外围孔灌入破碎剂浆体,待外围孔内浆体结硬膨胀后再向内孔灌入破碎剂浆体的方法。     

油膜润滑条件下滑动轴承变形与应力数值模拟

针对某汽轮发电机组转子的动压滑动轴承,采用热流耦合方法求解轴瓦及油膜的温度场,应用有限差分法对雷诺方程求解得到开设油槽条件下的油膜压力分布,提出一种离散化的油膜压力载荷与轴瓦内孔表面网格的批量映射匹配方法.在获得能够保证轴承正常工作的合理油膜温度场之后,对轴瓦进行热固耦合求解,得到轴瓦的变形和应力分布.通过分别对不同宽径比与偏心率下轴瓦变形与应力的数值模拟结果比较,得到轴瓦变形及应力分别随宽径比和偏心率的变化规律.结果表明,该方法能够有效地完成动压滑动轴承变形和应力的数值模拟,轴承轴瓦的变形及应力均分别随宽径比和偏心率的增大而增大．     

Investigation of convection cooling guide vane with conjugate heat transfer method

This paper studied a certain blade with ten radial cooling holes which employed conjugate heat transfer method. The cooling air entered the cooling channel from the bottom of the blade and went out from the top, it was not ejected into the main flow. This paper used different numerical conditions including different turbulence models,turbulence intensities,thermal conduction coefficients and the influence on fluid property via temperature variation. The temperature distribution and pressure distribution of the blade were compared with experimental data. The results show that the numerical results using different turbulence models are almost identical to experimental data even little deviation occurs at shock wave location. The trends of temperature distribution under different numerical conditions are coincident to experimental data,especially Reynolds stress turbulence model. It can be concluded that anisotropic turbulence models can simulate the transition from laminar to turbulence,and the influence of turbulence intensity on laminar region and transition region is more than that on developed turbulent region.     

通气孔对动叶冷却结构流动和换热特性的影响

为深入研究某型燃气轮高温旋转动叶片内部先进的复合冷却结构,采用三维气热耦合数值计算方法,模拟该叶片外部高温流场、内部前后冷却腔内蛇形折流通道复合冷却结构的流动性能与换热特性,研究前腔蛇形折流冷却通道在采用局部通气孔改进设计的条件下对整个旋转叶片外表面冷却效果与内部冷却通道流阻系数的改善程度。计算结果表明:在给定的冷气流量条件下,无通气孔设计时,叶片内部蛇形折流通道采用的气膜/冲击/扰流复合冷却结构能够对叶片整体带来较好的换热效果,并且叶片内、外表面温度分布都处于合理范围,但由于整个内部折流冷却通道流动阻力较高,导致对冷却气源供应压力要求过大,且前后冷却腔室进口设计压力差别较大;在内冷前腔局部位置设计冷气通孔结构,可有效降低前腔折流通道的流动阻力,在保证叶片换热效果没有受到明显影响的前提下,实现了所需冷气供应压力和冷气量同时显著下降,多腔冷却气体用量得到更好匹配。该改型设计提高了原型叶片的工程应用价值。     

装配式桥墩温度应力分析与裂纹控制

以某在建跨海大桥为例,通过数值仿真分析预制桥墩在与现浇承台连接施工时的温度应力及其影响因素,结合海上施工条件提出裂缝控制措施并进行现场试验. 分析结果表明,填芯混凝土热膨胀是预制桥墩温度应力的主要因素,温度梯度为次要因素. 混凝土入模温度从10 °C提高到40 °C,最大拉应力增加15.4%. 作为单项措施,设置隔热缓冲层的控制效果最佳,其次为冷却水管、优化混凝土配合比、分层施工和应力消散孔,外壁保温与内腔通风措施的效果较差. 提出的裂纹控制方案是采用优化混凝土配合比,且分3层浇筑混凝土,第1层和第2层分别设置隔热缓冲层和应力消散孔,通过现场试验验证了该方案可以有效地控制裂纹.