高温高压工况下NASA C3X涡轮叶片旋流冷却和冲击冷却的性能对比研究

文中建立了NASA C3X叶片前缘旋流冷却和冲击冷却结构,在高温高压工况下对旋流冷却和冲击冷却流动和传热特性进行了比较分析.考虑了10 000、30 000、50 000、700 00和90 000五个进气腔室入口雷诺数.结果表明,与低参数条件相比,较高的冷气压力导致冷气速度较低,但仍具有较高的传热强度.旋流冷却喷嘴下方C3X叶片靶面弧度较高,冷气流经时产生较高的向心力,冷气压力升高.随后冷气流经旋流腔室底部低弧度靶面,压力降低,流速升高,换热增强.旋流冷却产生带状高努塞尔数区域,并沿着下游方向均匀分布.冲击冷却在射流撞击位置产生椭圆状高努塞尔数区域,并且受到横流的作用沿着下游方向传热强度逐渐降低.在高温高压工况下,旋流冷却整体的平均传热强度较高,但由于对靶面冲刷的作用较强流动阻力较高.旋流冷却的综合传热因子高于冲击冷却,并且在高参数下随着雷诺数的升高,旋流冷却的优势更加明显.     

家用燃气灶具冲击射流换热的实验研究

灶具强化冲击射流换热是燃气灶烟气与锅底换热的一部分。采用实验方法研究了燃气灶具中的冲击射流换热过程,主要考察了冲击射流雷诺数Re(400≤Re≤1 000)、无量纲喷嘴高度H/D(2≤H/D≤10)、无量纲喷嘴间距X_n/D(4≤X_n/D≤15)对局部以及平均对流换热系数的影响规律。结果表明:对流换热系数h随冲击射流雷诺数的增大而增大,随着无量纲喷嘴高度增大而减小,平均对流换热系数h_(avg)随着无量纲喷嘴间距X_n/D的增大而减小。拟合出圆孔阵列中心孔局部努塞尔数Nu的实验关联式Nu=f(Re,Pr,H/D,X_n/D),回归结果与实际测量值偏差在15%以内。     

圆形液体浸没射流冲击驻点传热的数值模拟

对圆形液体浸没层流射流的流场结构和冲击驻点的单相传热进行了数值模拟．考虑的因素为喷嘴直径、喷嘴至冲击板距离、射流速度和加热面尺寸等．计算结果表明：冲击板上涡的位置随Ｒｅ的增加而远离对称轴．对于充分发展的管形喷嘴而言,驻点换热随射流出口Ｒｅ的增加和喷嘴直径的减小而增强;在５＜Ｚ／ｄ＜９内出现峰值,与加热面尺寸无关．     

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.     

圆形浸没冲击射流速度与压力梯度的数值计算

通过数值计算,系统地研究了圆形浸没液体冲击射流下速度与压力梯度沿轴向和径向的分布情况．考虑的因素包括射流工质、喷嘴直径、喷嘴至冲击面的距离和射流出口Ｒｅ数．计算结果表明,压力梯度的径向分布决定了局部换热系数径向分布形状,计算值与实验结果吻合良好．     

纹影法激光焊保护气流态

为了对喷嘴结构设计及气流工艺参数的调整提供理论依据,采用双反射式纹影仪对激光焊接用喷嘴冷态时的气流流态进行了系统观测,并结合气体动力学原理对气流的流态进行了分析.结果表明,单层保护气喷嘴自由射流时,气流的Re控制在400～700可获得较好的层流长度及挺度;双层保护气喷嘴自由射流时,内、外层气流的Re相近可使综合性能达到最佳,最后给出了几种常用保护气喷嘴和保护气帘的气流形态.     

基于Morlet小波变换的自振射流瞬态特性影响因素分析

针对喷嘴腔内流体流动为典型的具有时变特性的非定常流动,提出采用时频分析方法对喷嘴腔内流体压力脉动信号进行分析。首先,通过Morlet小波变换联合小波脊线方法提取自振射流喷嘴腔内流体压力脉动信号的瞬时频率。然后,研究不同来流流速、不同来流扰动频率对喷嘴腔内流体压力脉动信号瞬时频率的影响。在此基础上,研究自振射流打击到打击靶上形成的反射压力波对喷嘴腔内流体瞬态特性的影响,以及不同靶距的影响。结果表明:本文方法可有效辨识来流扰动频率、来流流速对喷嘴腔内流体瞬态特性的影响,获取了试验用喷嘴的最优靶距范围,并辨识了反射压力波的影响,为研究自振射流瞬态特性的影响因素提供了有效手段。     

错位角对管内双螺旋扭带层流换热特性的影响

为了提高管内层流换热性能,根据螺旋扭带的传热强化机理开发了双螺旋扭带作为管内扰流元件.在管内双螺旋扭带间隙比和长径比不变的情况下,通过数值模拟对内置不同错位角的双螺旋扭带在Re=100~1 200范围内的管内层流换热与流动特性进行研究.结果表明:在Re500情况下错位角为0°的连续扭带Nu最大;当Re=500~1 200时,Nu分别在错位角为60°和错位角为0°达到最大值和最小值,前者比后者大2%~12%;阻力系数f在Re=100~1 200范围内随雷诺数的增大而减小,随扭带错位角的增大而增大;当100Re≤900时,错位角为0°对应的强化传热比PEC最大,而在Re900情况下,PEC在60°错位角最好,Re500情况下,90°错位角的PEC值最小,始终小于其它错位角,在双螺旋扭带结构设计中应引起注意.     

颗粒帘换热器气体变径均流装置的设计与实验研究

设计6种不同结构形式的颗粒帘换热器气体变径均流装置,测得各变径均流装置出口气流的纵向与横向分布及其流动阻力,并分析了入口气流流动特性对变径均流装置出口气流均匀分布程度的影响。实验结果表明:气体变径均流装置的流动阻力随出口气流均匀分布程度的增大而增大;变径均流装置出口气流均匀分布程度随入口气流Re数的增大而减小;5#变径均流装置出口气流纵向分布相对均方根值仅为0.072 1,横向分布相对均方根值仅为0.038 6,气流分布均匀程度满足实验精度要求,展现出良好的应用前景。     

基于流固耦合的涡轮叶顶喷气冷却特性研究

高温燃气在涡轮动叶叶顶产生的泄漏流不但降低了涡轮效率,更是加剧了叶顶的热负荷. 本文基于实验模型,采用流固耦合的数值计算方法,研究了涡轮凹槽叶顶的间隙流与冷却射流相互作用的流动机理以及顶部喷气冷却对凹槽壁面换热效果的影响,重点分析了吹风比、冷却孔倾斜角、冷却孔进气角以及固体材料导热系数对壁面Nu数的影响. 结果表明: 大吹风比（M=1.5）能有效改善凹槽近压力面一侧肋条及底部的换热,Nu数分布更加均匀；进气角产生的“喷射效应”改变了冷却气流高速区的出口相对位置,当进气角大于0°时,冷却气体能有效阻隔高温流体使壁面Nu数降低；低导热系数材料降低了气流对固体壁面的对流换热,使得壁面的对流换热更加均匀.      

椭圆翅片管对风洞气流湍流特性影响研究

针对风洞中应用的某型椭圆翅片管热交换器,开展了换热管束对气流扰动特性仿真研究。首先利用试验结果验证了数值方法的可靠性,然后通过数值仿真着重对比分析了不同来流条件下热交换器下游湍流发展变化特性,并对管排数目和翅片间距对热交换器下游气流扰动和流场分布的影响展开了研究。结果表明:热交换器换热管束对上游不均匀来流有较强的整流作用,可使流动分布趋向均匀;热交换器后气流的湍流强度受来流条件影响不大,主要取决于换热管束本身的结构参数;热交换器后气流湍流强度在入口流体流动方向上很快衰减,该型热交换器在入口下游600 mm处湍流强度即可减小到7.5%,与试验测试值吻合较好。     

螺旋滚筒喷嘴内流场数值模拟研究

为提高螺旋滚筒的喷雾降尘效果,改善井下作业环境,基于流体动力学理论,建立喷嘴内部流场模型。对不同喷嘴口径、旋流芯中心孔口径以及喷雾压力的喷嘴喷雾过程进行数值模拟,得到不同参数条件下流体速度的分布规律:喷嘴口径在一定范围内适当增大能够增加内部湍流区域,进而提高出口位置流体的流出速度;旋流芯中心孔直径的增大虽然在一定程度上增加中心孔射流对旋流场的扰动,但是对流体喷出速度影响不大;随着喷雾压力提高,流体内部湍流动能得到加强,喷嘴出口流速得到提高。对工业性试验中工作面粉尘质量浓度进行测定,在滚筒喷雾系统开启后降尘率达到90%以上,工作面粉尘质量浓度得到了有效降低。     

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。     

缠绕螺纹管螺旋折流板换热器流动与传热数值分析

缠绕螺纹管螺旋折流板换热器中换热管是将外螺纹管与光管螺旋折流板相结合的新型结构.采用CFD分析软件FLUENT借助数值模拟方法,对缠绕螺纹管螺旋折流板换热器壳程传热机理进行分析,并与光管螺旋折流板换热器壳程特性进行对比.结果表明,折流板螺旋角为10°、15°、20°,壳程Re在2 000～6 000条件下,缠绕螺纹管螺旋折流板换热器较光管螺旋折流板换热器综合性能提升4. 5%～14. 5%,传热系数提升4. 27%～23. 39%,温度场和压力场协同均较优.     

腔径比对亥姆赫兹自振射流性能影响

为了提高亥姆赫兹式自振射流的工作能力,采用大涡模拟对自振射流流动特性进行研究,通过实验测试喷嘴出口压力脉动验证了数值模拟的准确性.对4种腔径比的自振喷嘴模型在3种雷诺数下的瞬态流场进行模拟,分析Q准则数下拟序结构涡的运动特性,揭示轴心速度衰减及出口断面速度分布与射流集束性及腔室能量耗散的关系,比较分析振荡幅值对射流脉冲性能的影响.结论表明,大涡模拟可以准确预测自激振荡射流瞬态流场及流动特性,亥姆赫兹腔使均匀来流变得紊乱,涡尺度增大,腔室内能量耗散增大,且腔径比对自振射流影响较大.     

二元熔盐在螺旋槽管内流动和传热特性数值模拟

为探索数值模拟方法预测二元熔盐在螺旋槽管内的流动和传热特性研究中的可行性,使用Ansys软件对熔盐在不同几何参数的螺旋槽管内的流动和传热特性进行数值模拟。采用半周加热,研究在不同工况下熔盐入口温度和热流密度变化时熔盐的流动和传热特性。通过数值模拟得到了熔盐在螺旋槽管内的流动速度分布云图和矢量图,得到了熔盐在管道出口温度分布云图,并计算得到熔盐在管内的Nu-Re变化曲线。结果表明,熔盐管内流速呈现周期性变化,同时产生二次环流流动。熔盐在螺旋槽管内的传热Nu数和Re数的变化趋势一致,出口温度分布不均匀性较小。随着螺旋槽管槽深的增大,对熔盐的传热效果也相应提高。熔盐入口温度越高,螺旋槽管内熔盐的传热效果越好。     

内置螺旋叶片转子换热管传热及污垢性能

在相同管长,相同管径及相同实验工况下,对内置螺旋叶片转子换热管和光管进行换热实验,研究了该两种换热管的传热性能,并对比分析实验后两种换热管的污垢沉积厚度,最后利用FLUENT软件研究内置螺旋叶片转子换热管和光管的z=290 mm、z=710 mm两处截面的污垢分布.结果显示:在同样的条件下,内置螺旋叶片转子换热管比光管具有更好的传热性能,前者的传热系数大约是后者的1.3倍左右;相对于光管螺旋叶片转子换热管的传热效果趋于稳定;螺旋叶片的换热管内部污垢沉积分布均匀,并且叶片转子两端区域的污垢沉积分布大致一样;光管内整体污垢分布不太均匀,同一截面处顶端污垢厚度明显大于底端;从光管的入口到光管的出口,颗粒的污垢沉积厚度逐渐增大.内置螺旋叶片转子换热管相对于光管具有良好的抗垢特性,提高了传热效率.     

Al-水纳米流体冲击射流流动换热特性研究

实验以Al-水纳米流体为工质对冲击射流冷却系统的综合性能进行了研究,主要研究了纳米流体与水在不同流速、不同射流条件下冲击射流的换热效率并分析了对于分散剂对射流工质影响。结果表明:对于添加了纳米流体的冲击射流冷却系统,射流换热效率得到显著提高,但对于系统的压降并没有很大的改变。对比不同的射流条件:存在一个特定的射流高度,使换热系数达到最大值;换热面的形式对冲击射流有着明显影响,内弧面换热面可以有效提高冲击射流的换热系数。     

流动冲击角对流体绕流管束换热的影响

运用计算流体动力学软件FLUENT,对流动冲击角分别为45°、60°、75°和90°,流体绕流6排87根错排管束下的换热进行三维数值模拟.管束的纵向和横向管间距分别为9.5 mm和11 mm.考查管束的平均换热努赛尔数和模型进出口压降,并与茹卡乌斯卡斯的实验关联式进行对比.当雷诺数为5 000~20 000时,给出4种流动冲击角下管束换热努赛尔数的拟合公式,并对管周向局部换热特点进行细观分析.结果表明:湍流边界层在周向夹角为大约105°时从管壁面分离,此时换热最差;流动冲击角越大,管束的平均换热努赛尔数和模型进出口压降越大;流动冲击角为45°时综合换热性能较好.