阵列射流冲击冷却换热特性的数值研究

运用数值计算的方法对不同流动取向的多排孔冲击射流冷却特性进行了三维模拟,并对有初始横向流的多排孔冲击射流冷却特性进行了数值研究,揭示出射流雷诺数、流动方向、初始横向流对冲击冷却传热特性的影响规律。结果表明:研究范围内,射流雷诺数越大,冲击靶面换热效果越好;冲击腔室两端都设为出口时努赛尔数峰值所对应的射流驻点区向下游偏移最小且换热效果最好;当横流雷诺数与射流雷诺数之比大于0.5之后,有横流时的冲击射流冷却局部努赛尔数比无横流时有较为显著下降。     

阵列射流冲击冷却传热特性的数值研究

以涡轮叶片冷却技术为背景,采用带转捩的剪切应力输运(Transition SST)模型对阵列射流冲击冷却的传热特性进行数值模拟,分析了冲击Re、冲击间距、初始横向流和冲击孔排列方式的影响规律。结果表明:冲击间距对靶面平均Nu的影响存在最优值,在所计算的范围内,Zn/d=2时平均Nu最大;在冲击孔排列方式影响中,当冲击间距Zn/d≤2时,顺排孔冲击冷却传热效果优于错排,而当Zn/d≥3时,错排孔冷却传热效果优于顺排。     

高能流密度下太阳能密集光伏组件射流冲击冷却特性

针对高能流密度下密集阵列光伏组件的冷却控温问题,采用模块化阵列射流冲击装置实现电池控温。基于Fluent软件对密排光伏组件阵列射流冲击换热进行数值模拟,研究不同射流孔径、冲击间距比与射流孔长径比等关键参数对其电池冷却的影响特性,综合分析了质量流量和能流密度变化对其冷却效果和所获电能的影响规律。结果表明冲击间距比对电池的换热效果存在最优值,在本文范围内h3/d=4.5时换热效果最佳,但随着孔径的增大其换热均匀性有所下降;射流孔高度增大,换热效果和电池表面温度均匀性均降低;随着电池表面聚焦能量增加,其发电功率将成比例增加,而电池温度仅有小幅度升高;随着质量流量的合理增加,电池温度大幅度降低,且所产生的压降功耗基本不变。该文工作能为高倍聚光密集阵列光伏组件的高效均匀控温设计提供基础。     

内冷通道特性对外表面气膜冷却换热影响研究

采用混合网格和realizable к-ε紊流模型,求解三维N-S方程,对气膜孔入口无横流、仅有横流和横流通道中有扰流肋的情况下,外表面气膜冷却换热特性进行了数值研究.具体分析了横流及肋的存在对气膜冷却外表面换热系数的影响.结果表明,横流及肋的存在使通道流场变得非常复杂,横流提高了外表面的换热系数,且使流动及换热呈现不对称特性分布;而扰流肋的存在减弱了横流对外表面的影响,换热系数相对于仅有横流时降低,且使外表面流动及换热的对称性有所改善.     

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.     

圆形冲击射流传热性能的实验研究

应用萘升华传质/传热比拟技术,对单个圆形射流在不同喷嘴到被冲击表面距离(1≤H/D≤12),在7×103≤R e≤1.9×104时,进行了局部传质/传热实验;研究了不同喷嘴到被冲击表面距离和不同R e对单个圆形射流局部换热特性的影响。单个圆形射流局部传热系数随着R e的增加而大幅度增加,R e是影响局部换热系数的主要因素。在同一R e下局部换热系数沿轴向非单调变化,在驻点处当H/D≌6时换热系数达到峰值;H/D<6时,局部换热系数沿径向有两个峰值;随H/D的增加,中心区局部N u减小,但影响范围变大。     

静叶前缘冲击-凸起扰流结构复合冷却的数值研究

为了改善燃气透平叶片冲击-凸起扰流结构流动与换热特性,构建了3种复合冷却叶片：无凸起结构V1,分别在前缘与冲击孔错列布置两种泪滴型扰流柱V2和V3,采用SST k-omega湍流模型,在8种不同质量流量比(MFR)工况下分析3种叶片的流动与换热特性。结果表明：针对C3X叶型布置的泪滴型扰流柱能有效改善叶片的换热特性;低MFR工况下,V3结构性能更优,冷却效率可提高9.29%;增加MFR可以同时改善流动与换热特性,当MFR从0.25%增加到1.00%时,3种叶片的压力损失系数先增大后减小;随着MFR从0.25%增加到2.00%,V2和V3结构冷却效率的提高率逐渐降低;在MFR≥1.00%时,V3结构的流动与换热特性均优于V2。     

叶片蒸汽冷却耦合换热特性的数值研究

为评估透平叶片的蒸汽冷却效果,以Mark II叶片为对象,采用热流固耦合的数值计算方法,通过与实验数据进行比较考察了不同湍流模型对计算结果的影响,对比分析了空气、过热蒸汽和湿蒸汽冷却效果的差异,研究了冷却蒸汽质量流量、进口湍动度和叶片表面粗糙度对蒸汽冷却效率的影响.结果表明:SST转捩湍流模型对于流动换热计算有较高的精度;与空气冷却相比,过热蒸汽冷却的效率更高,叶片壁面温度更低;与过热蒸汽冷却相比,湿蒸汽的冷却效率更高,叶片壁面温度更低,且随着蒸汽湿度的增加,冷却效率提高,叶片壁面温度降低;增加冷却蒸汽的质量流量可使冷却效率提高,但冷却蒸汽的温升减小;当湍流强度小于3%时,冷却效率随冷却蒸汽进口湍流强度的增大而提高;增加叶片粗糙度使得叶片冷却效率显著提高.     

长径比对缩放槽缝孔气膜冷却效果的影响

基于有限体积法对三维定常不可压缩N-S方程进行离散,采用两层k-ε湍流模型,在吹风比M为0.5、1.0、1.5、2.0的情况下,数值研究了长径比(L/D=2、4、8和10)对缩放槽缝孔气膜冷却效果的影响,对不同长径比气膜冷却整体效果进行了对比分析。结果表明:在任何吹风比下,缩放槽缝孔的冷却效率都随着孔长与孔径比的增大而增大,特别是在长径比由2变为4时,冷却效率有大幅度的提高,当L/D8时,增加的幅度趋缓;对于同一长径比,孔与孔之间沿展向的冷却效率均有不同程度的增加,小吹风比时增加的幅度小,随着吹风比的增大,冷却效率增加的幅度也随之增大;在短孔的气膜孔下方生成了强度较强和尺度较大的反向涡旋对,在长孔的气膜孔下方所生成的反向涡旋对与短孔相比尺度较小、强度较弱,冷气流动的分离现象消失,流动较规则,冷却效率较高。     

微尺度阵列射流冲击流动与换热特性研究

针对微尺度阵列射流冲击结构的流动与换热特性,选取冲击孔为D=0.4mm、0.5mm、0.6mm,冲击距H/D=1.0、1.5、2.0,叉排和顺排结构的长圆形扰流柱,雷诺数Re范围为1000~10 000,保证与真实燃气轮机工况相等的气动参数下,对微尺度列射流冲击结构的流动与换热情况进行分析比较,结果表明:在相同的雷诺数下,长圆形扰流柱的排列方式对冲击靶面平均换热影响很小,对局部换热分布影响很大,叉排方式的换热分布均匀、温度梯度小;随着孔径的增大,下游强换热面积覆盖区域增大,但是在相同的流量下,D=0.4mm的靶面平均换热系数是远高于D=0.6mm;靶面平均换热系数随着冲击距H/D的增大而减小。因此,在最小的冷气量下,尽可能减小涡轮叶片内冷结构的尺寸可大大增强内通道的换热效果。     

姊妹孔旋流气膜冷却的流动传热特性研究

为了研究旋流进气条件下姊妹孔副孔的排列方式和冲击孔角度在不同吹风比下对旋流气膜冷却效果的影响规律,采用旋流冷气腔,按上述两因素建立7个模型,并在6个吹风比下对各模型采用传质传热类比方式进行数值模拟计算。研究结果表明：在吹风比较小时,各模型冷气射流的贴壁性都较好,且各模型的冷却效率相差不大,但是随着吹风比的增大,各模型的冷却效率都有所下降;采用30°冲击孔针对姊妹孔副孔排列方式,两副孔轴线与主孔轴线距离L1,L2均为0.75D的模型1在6个不同的吹风比下都能取到最高的面平均冷却效率;冲击孔角度对气膜冷却效果的影响在不同吹风比下存在较大差异,在吹风比M为0.3～1.0时采用30°与50°的冲击孔都能得到较好的冷却效果,但当吹风比增大到1.25～1.5时,采用30°冲击孔能获得更好的冷却效果。     

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.     

“冲击-气膜”复合式结构冷却效果数值研究

分析了六种不同的"冲击-气膜"复合式冷却结构,将其应用在燃气轮机涡轮导向器叶片中弦区并对其内部流体的流动和换热进行了数值模拟.计算条件采用某燃气轮机的典型工况,流体物性参数随温度变化.将不同"冲击-气膜"复合式冷却结构的计算结果进行对比得出:冲击孔与气膜孔在展向的排列形式对冷却效果有较大影响,叉排明显优于顺排;随着冲击孔的后移,冷却气体对腔内壁的覆盖面积逐渐减小,冷却效果逐渐降低,流阻逐渐增大;在来自冲击冷却和气膜冷却多种影响因素的共同作用下,气膜孔角度和所在面曲率对冷却效果和流阻的影响被大幅度削弱.     

燃烧室壁面冷却特性数值模拟

针对航空发动机与燃气轮机燃烧室温升提高带来的壁面冷却问题,采用数值模拟方法研究多斜孔、复合角、冲击/气膜3种不同壁面结构形式的冷却特性,对比分析燃烧室近壁面流场和温度场分布以及有效温比与阻力损失随冷却孔尺寸的变化规律。研究表明:在冷却空气质量流量保持不变时,改变冷却孔直径对3种壁面结构的冷却性能会产生显著影响,孔径越大,阻力损失越小,冷却效果越好;在冷空气单位面积质量流量为20 kg/(m~2·s)条件下,当多斜孔孔径由0.3 mm变为0.8 mm时,平均有效温比从0.775减少到0.451,阻力损失从0.117增加至0.140,热侧壁面平均温度升高280.316℃;冲击/气膜冷却结构明显优于相同孔径的复合角冷却结构与多斜孔冷却结构;冲击/气膜冷却结构后导流环处有效温比最高可达到0.95。     

燃气轮机轮盘预旋冲击冷却特性研究

为提高冷却空气对涡轮轮盘的冷却效果,以某型燃气轮机低压涡轮为研究对象,提出了一种带有预旋冲击的轮盘冷却结构。当冷却空气流过该结构时,冷却空气的流动方向发生改变,提高了轮盘的换热效果,降低轮盘温度进而提高了轮盘强度储备。使用CFX有限元计算软件,对该冷却结构和轮盘进行了气-热-固耦合计算,结果表明:带有预旋冲击的冷却结构比非预旋冲击的冷却结构具有更高效的冷却效率;轮盘在预旋冲击冷却作用下,轮盘换热表面温度降低显著;当冷却空气进口温度降低60 K时,轮盘换热表面温度降低37 K;冷却空气进口压力增加0.39 MPa时,轮盘换热表面温度降低10 K。     

叶片旋转转速和吹风比对涡轮外环双层壁结构阵列冲击冷却特性的影响研究

采用数值模拟的方法,基于稳态雷诺平均方程（URANS）耦合k-ω SST模型和滑移网格法分析了涡轮叶片旋转扫掠条件下带有非定常气膜出流的外环腔内阵列冲击传热特性。在外环冲击-气膜复合冷却结构中,冲击孔和气膜孔呈交错排列,冲击距与冲击孔直径之比为1.25,斯特劳哈尔数St=2.35、3.52（对应转速Ω=10 000、15 000 r/min）,吹风比M=0.5、1及1.5。结果表明：叶片旋转扫掠效应引起的气膜孔出口压力波动会诱导冲击孔入口的瞬时质量流量发生变化,而时均质量流量几乎保持不变;吹风比在0.5~1.5之间变化时,靶面的瞬时和时均平均冲击换热特性随着吹风比的增大而增强;相同的吹风比时,叶片转速的提高对靶面瞬时和时均换热特性的影响非常微小。     

纳米流体受限式浸没射流冲击凸台表面的换热研究

为了分析纳米流体受限式浸没射流冲击到凸台表面的换热效果,以及与水射流冲击光滑平板的换热情况对比,详细分析了纳米流体颗粒表面形状、纳米流体体积份额、纳米颗粒材料、射流Re数、喷嘴距换热表面的相对高度H/D对滞止点及整个热表面换热系数的影响。实验发现,表面形状对换热效果影响较大,射流冲击到凸台表面上滞止点换热系数h_0最小,但整个换热表面的局部换热系数h_x及平均换热系数h_(av)均为最大值,且换热系数随Re的增大而增大。纳米流体体积份额对换热效果的影响与喷射的相对高度H/D有关,当H/D为3时,h0及hav随纳米颗粒浓度的增大而增大;当H/D为5时,纳米流体体积份额φ为0.2%时的换热效果最好。     

透平叶顶气膜冷却效果数值研究

采用三维数值模拟方法,研究了GE E3发动机第一级透平动叶叶顶间隙内的气膜流动与换热特性,评估了气膜吹风比M分别为0.5、1.0和1.5时,对叶顶换热系数以及冷却效率的影响.计算结果表明:叶顶气膜冷却空气改变了叶顶泄漏流动特性,随着吹风比的增加,叶顶间隙内的泄漏流动区域不断缩小,从而导致叶顶间隙泄漏量不断减小;随着气膜冷却吹风比的增大,叶顶平均换热系数逐步降低;在M=1时,冷却效果最佳.     

发散孔纵向波纹隔热屏气膜冷却特性研究

对燃烧室内开有发散孔的纵向波纹隔热屏进行了数值模拟。研究隔热屏的四种结构参数开孔率、波纹板高度、气膜孔直径和冷却通道高度的改变对隔热屏冷却效果的影响。研究表明：在气膜孔出流总量相同的情况下,3％开孔率比6％开孔率的隔热屏平均冷却效率较高;汉纹板高度对隔热屏冷却效果影响较大,波纹板无量纲高度B=1％时的隔热屏平均冷却效率最高;冷却通道高度和气膜孔直径对隔热屏冷却效果影响较小,冷却通道高度只影响隔热屏前段的冷却效率,发散孔气膜孔直径的大小则对隔热屏冷却效率几乎没有影响。     

横流对振荡射流冲击冷却特性影响的数值研究

为了分析横流条件下振荡射流冲击靶面的换热特性,采用数值计算方法研究了横向排列和纵向排列方式下振荡射流冲击靶面的冷却性能,并对纵向排列下的射流振荡器进行了排布角度修正.结果 表明:横流对冲击换热的作用主要受到两方面影响,即冲击点附近的马蹄涡和冲击点向后偏移程度;对于靶面上的冲击核心区,总体上纵向排列的高换热区域后移程度小...