进口雷诺数和湿空气含湿量对冲击冷却流动和传热特性的影响

为进一步探索湿化燃气轮机透平循环的叶片前缘冷却情况,分析了进口雷诺数和湿空气含湿量对冲击冷却流动和传热特性的影响。建立了带有进气室、单排圆形冲击孔和冲击冷却腔的冲击冷却模型,利用ANSYS CFX软件数值研究了进口雷诺数和湿空气含湿量对冲击冷却流动和传热特性的影响,总结了湿空气冲击冷却的流动和传热规律。在此基础上,对努塞尔数与冲击孔雷诺数和湿空气普朗特数进行关联式拟合,得到了湿空气冲击冷却的传热关联式。研究结果表明:冲击冷却的冷却性能随着进口雷诺数和含湿量的增大而提高;冲击射流冲击至靶面后沿着壁面向四周流动,并在冲击腔内形成复杂的流动涡结构;增大进口雷诺数能够显著增大冷气的涡量,提高换热靶面的换热强度;相同进口雷诺数下,干空气冷却和湿空气冷却换热靶面努塞尔数分布规律一致,但数值上湿空气冷却的略高于干空气冷却的,并且二者差异随着进口雷诺数的增大而增大;冷却工质的质量流量随着含湿量的增大而减小,换热靶面努塞尔数随着含湿量的增大而增大;拟合的传热关联式与数值计算的结果吻合较好,能够较好地预测湿空气冲击冷却的换热系数。     

倾斜螺纹孔射流传热特性的数值研究

为了提高传统圆孔冲击射流的冷却效果,提出采用螺纹孔来代替圆孔,并采用数值模拟方法研究了倾斜状态下螺纹孔旋转冲击射流的复杂流动状态和传热性能,研究的影响因素包括射流倾斜角(α=45°～90°)、冲击距离(H/d=2,4,6)、雷诺数(Re=6 000～24 000)。研究结果表明:倾斜角和冲击距离对射流空间内旋涡的大小、形状和位置有较大的影响;在倾斜状态下,旋转射流冲击冷却效果要优于圆孔射流,但当α=45°时,旋转射流冲击靶面的对流传热效果会明显恶化;当Re=6 000,α=60°,H/d分别为2、4和6时,旋转射流靶面中心努塞尔数Nu比圆孔射流靶面中心Nu分别高139.9%、107.2%、27.3%;当冲击距离相同时,旋转射流靶面平均努塞尔数高于圆孔射流。与圆孔射流相比,Re≤18 000下提高射流Re,旋转射流能显著增强靶面传热能力。     

冲击孔偏置对静叶前缘和吸力面冷却性能的影响

采用流热固耦合方法数值研究了真实叶片材料热物性条件下叶片前缘冲击腔室内冷却射流的流动及换热特性。分析了冲击孔的偏置距离(2.5 mm、5.0 mm、7.5 mm和10.0 mm)及冲击冷气与主流的质量流量比(1.0%、1.5%、2.0%、2.5%和3.0%)对前缘面复合冷却性能、冲击靶面对流换热性能及吸力面气膜冷却性能的影响。研究表明：冲击孔偏置结构会对叶片前缘区域的冷却产生显著的影响,偏置距离较小时会削弱前缘面复合冷却性能及靶面对流换热性能,而偏置距离较大时能同时强化前缘面复合冷却性能及靶面对流换热性能,尤其是对靶面对流换热性能的提高效果非常显著。4个冲击孔偏置结构中,偏置距离最大的结构相较于无偏置结构的靶面平均努塞尔数最多提高了约33.97%;吸力面的气膜冷却性能大体上与冲击孔到吸力面气膜孔的周向距离呈现出负相关性,冲击孔距吸力面气膜孔越远,吸力面的气膜冷却性能越弱;相较于无偏置结构,冲击孔偏近及偏离气膜孔布置时吸力面平均气膜有效度最多分别提高了约5.56%和降低了约10.96%;当冲击冷气的质量流量比较小时,增大冷气的质量流量比能有效提高叶片前缘冷却性能。前缘面平均综合冷却效率、...     

带侧向出流孔的梯形通道内部换热特性实验

为深入了解带侧向出流通道内部换热特性,采用热色液晶瞬态测量技术对带侧向出流孔的梯形通道内表面换热进行了测量,重点分析侧流孔孔间距、通道进口雷诺数及侧流比对梯形通道内表面换热特性的影响.实验结果表明:侧流孔孔间距的增大使努塞尔数沿整个面的分布趋于均匀;进口雷诺数的增加会明显加强通道内的换热;随着侧流比的增大,通道沿主流方向同一位置处的换热明显减弱,整个通道内表面的平均努塞尔数亦有所下降.     

燃气透平叶片树状分形内冷微通道的换热特性实验研究

针对燃气透平叶片内部对流冷却特点,基于能量输运原理和分形几何理论生成了适用于叶片内部流体输运的分形网络,并设计了4级T型树状分形分叉微通道内冷结构。在建立的透平叶片内冷微通道对流冷却实验平台上,研究了通道进口雷诺数和加热功率对空气的努塞尔数、摩擦系数和强化换热因子的影响。结果表明:当雷诺数从194增大到19 400时,空气的平均努塞尔数增大148.5%,摩擦系数从0.78减小到0.009,最大强化换热因子在通道进口雷诺数为17 300时获得;加热功率从10 W增大到110 W时,平均努塞尔数降低35.9%,而摩擦系数几乎不变,加热功率为10 W时具有最佳的强化换热特性;分叉结构耦合共轭传热效应显著提高了第2、第3级微通道的当地努塞尔数;相比于前3级通道,末级通道的换热性能受雷诺数和加热功率的影响更为突出。     

燃机透平静叶尾缘柱肋通道内的汽雾/空气冷却流动与换热特性数值研究

基于通过提高燃气进口温度来提升燃气轮机热效率和增加出力的思想,采用ANSYS-CFX商用软件对模化的燃气轮机透平静叶尾缘楔形柱肋冷却通道中流动与换热特性进行了数值模拟,对比研究了冷却工质为空气和汽雾/空气时的冷却性能,以及不同的雷诺数和雾滴初始直径下雾滴在流动过程中的分布、努塞尔数、摩擦系数以及热力综合效率的变化情况。研究表明:雾滴初始直径越大、雷诺数越大,雾滴的流动距离越长;相同雷诺数条件下,相对于空气冷却,加入不同初始直径的雾滴可提高通道底面平均努塞尔数,换热效果强化越明显;底面平均努塞尔数的增幅与雷诺数和雾滴初始直径有关,为了达到最佳冷却效果,应考虑雾滴蒸发吸热和扰流两方面的影响;在冷却空气中加入雾滴后流动摩擦系数变化较小,综合考虑换热性能与流动阻力,加入汽雾可使热力综合效率最高提高26%。该结果可为燃机设计提供参考。     

实验研究类螺纹孔旋流冲击射流的冷却特性

为了实现均匀高效的射流冲击冷却,提出了一种新型旋流射流冷却结构,即圆孔内壁等间隔设有4条类似螺纹孔的螺旋槽道。通过实验研究了该喷嘴在不同螺旋角(0°、15°、30°、45°)、雷诺数Re(6000~30000)、冲击距离(1~8倍当量直径)等参数下对靶面换热特性的影响,揭示了该喷嘴冲击射流靶面的换热规律。实验结果表明,增大螺旋槽道角度,靶面的换热系数有所增强。与传统圆孔及无旋多槽道冲击射流相比,同工况下带有一定螺旋角的旋转射流可有效提高靶面的整体换热系数。在2倍和4倍当量直径的冲击距离下,45°类螺纹孔旋流射流换热的驻点努塞尔数Nu比普通圆孔射流分别高出7.4%和11.4%;靶面Nu与Re成非线性正比关系,在较高Re下Nu在靶面中心点以外0.7倍当量直径处出现峰值;随着冲击距离的增大,旋流对靶面冲击换热的作用效果减弱,乃至消失。     

实验研究类螺纹孔旋流冲击射流的冷却特性

为了实现均匀高效的射流冲击冷却,提出了一种新型旋流射流冷却结构,即圆孔内壁等间隔设有4条类似螺纹孔的螺旋槽道。通过实验研究了该喷嘴在不同螺旋角(0°、15°、30°、45°)、雷诺数Re(6 000~30 000)、冲击距离(1~8倍当量直径)等参数下对靶面换热特性的影响,揭示了该喷嘴冲击射流靶面的换热规律。实验结果表明,增大螺旋槽道角度,靶面的换热系数有所增强。与普通圆孔及无旋多槽道冲击射流相比,同工况下带有一定螺旋角的旋转射流可有效提高靶面的整体换热系数。在2倍和4倍当量直径的冲击距离下,45°类螺纹孔旋流射流换热的驻点努塞尔数Nu比普通圆孔射流分别高出7.4%和11.4%;靶面Nu与Re成非线性正比关系,在较高Re下Nu在靶面中心点以外0.7倍当量直径处出现峰值;随着冲击距离的增大,旋流对靶面冲击换热的作用效果减弱,乃至消失。     

实验研究类螺纹孔旋流冲击射流的冷却特性

为了实现均匀高效的射流冲击冷却,提出了一种新型旋流射流冷却结构,即圆孔内壁等间隔设有4条类似螺纹孔的螺旋槽道。通过实验研究了该喷嘴在不同螺旋角(0°、15°、30°、45°)、雷诺数Re(6000~30000)、冲击距离(1~8倍当量直径)等参数下对靶面换热特性的影响,揭示了该喷嘴冲击射流靶面的换热规律。实验结果表明,增大螺旋槽道角度,靶面的换热系数有所增强。与传统圆孔及无旋多槽道冲击射流相比,同工况下带有一定螺旋角的旋转射流可有效提高靶面的整体换热系数。在2倍和4倍当量直径的冲击距离下,45°类螺纹孔旋流射流换热的驻点努塞尔数Nu比普通圆孔射流分别高出7.4%和11.4%;靶面Nu与Re成非线性正比关系,在较高Re下Nu在靶面中心点以外0.7倍当量直径处出现峰值;随着冲击距离的增大,旋流对靶面冲击换热的作用效果减弱,乃至消失。     

实验研究类螺纹孔旋流冲击射流的冷却特性

为了实现均匀高效的射流冲击冷却,提出了一种新型旋流射流冷却结构,即圆孔内壁等间隔设有4条类似螺纹孔的螺旋槽道。通过实验研究了该喷嘴在不同螺旋角(0°、15°、30°、45°)、雷诺数Re(6000~30000)、冲击距离(1~8倍当量直径)等参数下对靶面换热特性的影响,揭示了该喷嘴冲击射流靶面的换热规律。实验结果表明,增大螺旋槽道角度,靶面的换热系数有所增强。与传统圆孔及无旋多槽道冲击射流相比,同工况下带有一定螺旋角的旋转射流可有效提高靶面的整体换热系数。在2倍和4倍当量直径的冲击距离下,45°类螺纹孔旋流射流换热的驻点努塞尔数Nu比普通圆孔射流分别高出7.4%和11.4%;靶面Nu与Re成非线性正比关系,在较高Re下Nu在靶面中心点以外0.7倍当量直径处出现峰值;随着冲击距离的增大,旋流对靶面冲击换热的作用效果减弱,乃至消失。     

针翅式散热器模块流动传热特性数值优化

为提升中高温电子器件的散热性能,以针翅式散热器模块为研究对象,研究了热管长度、散热器宽度、针翅直径、针翅间距和针翅高度5个结构参数对翅片散热性能的影响,对正交实验设计的16个组合方案下翅片的流动换热性能进行模拟。以努塞尔数Nu、阻力系数f、传热性能综合评价指标(performance evaluation criteria, PEC)和全因子评价Y作为评价指标,在每个评价指标下利用极差分析主要影响因素和挑选出优化组合。结果表明：影响Nu、f、PEC和Y的最主要因素是针翅间距;最佳优化组合为：针翅间距为2.5 mm,散热器宽度为80 mm,针翅直径为1.5 mm,针翅高度为20 mm,热管长度为25 mm,模块温降为16.28℃,热阻为0.265℃/W。     

温度比对叶片内冷通道对流传热影响的数值研究

为了提高涡轮叶片内冷通道流动传热计算精度,首先讨论了大温差下空气物性不同计算方法间的差异,并通过与管内常用传热经验关系式结果的对比,研究了不同定性温度取值方法和湍流模型对数值模拟结果的影响。在此基础上侧重研究了大温差对光滑圆形内冷通道内的流动传热的影响,温度比变化范围0.5～0.9,通道Re数范围20 000～60 000,得到了传热Nu数和温度修正因子随温度比与Re数的变化数据和拟合关系式。结果表明采用截面平均流体温度定义传热系数和采用Realizable k-ε湍流模型可使局部和平均传热系数与Gnielinski公式结果符合良好。大温差对通道传热的影响显著,Nu数最大降幅可达30%。计算显示温度修正因子随温度比的减小而减小,随Re数的增大而减小。     

水平旋转圆筒表面对流传热和传质实验

采用微热偶式测温和测湿技术,分别对大直径水平旋转圆筒表面对流传热和传质特性进行了对比实验研究.实验数据验证了在圆筒表面对流传热和传质之间存在着良好的可类比性,即旋转对圆筒表面对流传热边界层温度场分布和局部努塞尔数的影响规律与旋转对传质边界层浓度场分布和局部舍伍得数的影响规律相似,但顺向侧和逆向侧之间存在着明显的差异;旋转对圆筒表面平均传热努塞尔数数和平均传质舍伍得数的影响规律也相似,都存在临界雷诺数.当旋转雷诺数小于或等于临界雷诺数时,平均努塞尔数和平均舍伍得数随旋转雷诺数的变化基本保持不变;当旋转雷诺数大于临界雷诺数时,平均努塞尔数和平均舍伍得数随旋转雷诺数的增大而增大.实验中还发现,由于传热和传质的边界层条件不同,热质交换共存时的临界雷诺数小于纯对流传热时的临界雷诺数.     

烧结型多孔管在NaCl溶液中的传热与结垢特性

采用强化传热因子、临界循环量和临界结垢浓度等分析方法,研究了烧结型白铜多孔管与白铜光滑管在NaCl溶液中的传热与结垢特性。建立了多孔管在NaCl溶液沸腾传热过程中气泡努塞尔数与气泡雷诺数、普兰特数和溶液浓度之间的关联式。结果表明:与光滑管相比,烧结型多孔管在不同浓度的溶液中都能明显提高其沸腾传热系数,最大可达到3.3倍。NaCl溶液的质量分数只要低于临界结垢质量分数,多孔管都具有抗垢性能。该关联式与实际情况相符,能较好地预测多孔管在NaCl溶液中的传热性能。     

微小槽道散热器流动与换热实验研究

以 0 .4mm× 2 .0mm× 2 0mm的微小矩形槽道蔟为实验段 ,对水和 6 6 %乙二醇水溶液在底部加热的微小槽道散热器中的流动与换热特性进行了实验研究 ,实验的Re数范围为 2～ 2 5 0 0。实验结果表明 :水和乙二醇水溶液工质在微槽散热器中的流动阻力系数随Re数的增大而减小 ;对流换热的Nu数均随着Re数的增大而增加 ;在相同Re数下 ,Pr数大的乙二醇水溶液工质的Nu数大于水的Nu数。在实验基础上 ,获得了相应的流动阻力及换热系数的实验关联式     

实际叶型前缘冲击冷却换热的液晶显示实验研究

采用液晶显示技术,对两种实际叶型的前缘凹面的模拟表面在大冲距范围内进行了射流冲击热实验,并与半圆凹面的换热进行了比较.研究结果表明,在小冲击距时,随着冲击面曲率的增大,滞止区内的换热较之半圆面有所增强;在实验参数范围内,两实际叶型表面的Nus比半圆面约高12%;对于相对喷嘴间距为227的情况,所研究的3种曲面的Nus随相对冲距的变化存在一个极值点;对于相对喷嘴间距为135的情况,未发现有极值点.此外,还给出了换热准则关系式     

管翅换热器换热与流动的三维定常特性分析

为了深入了解单排管翅式换热器换热和流动特性,在雷诺数为100~600之间,翅片间空气为定常层流条件下,利用复合坐标网格系统及对流、导热相结合的数值分析方法,对5种不同几何参数平板翅紧凑管翅式换热器的流场、温度场、换热系数、传热量、压降、翅片效率进行了模拟计算和分析。结果表明:翅片越薄,单位体积、单位质量的传热量越大;在一定雷诺数条件下,存在一个最佳的翅片间距,并使得换热量最大;对所讨论的5种情况来说,当雷诺数为400时,翅片宽度较小的?热器的总传热量比其他4类高10%左右,但压力损失的降低变化不大。无论在哪种条件下,翅片后半部的传热量占全部传热量的25%以下,并且当雷诺数较低时,该比例会更低。     

雷诺数和湍流度对叶片表面边界层转捩和换热特性的影响

为了深入了解涡轮叶片表面边界层转捩特性及其对换热系数的影响,在叶栅风洞中分别测量了进口雷诺数为5×10⁵、6×10⁵和7×10⁵时叶片表面压力分布,并将压力数据加载到边界层计算程序TEXSTAN中,计算了每个进口雷诺数在来流湍流度为3%、5%和7%时叶片表面换热系数分布。结果表明,进口雷诺数增大,压力面转捩点基本不变,吸力面转捩点前移3%~7%相对弧长,换热系数沿叶片型面减小的区域缩短。来流湍流度对压力面流动和换热的影响弱于吸力面,湍流度增大使压力面转捩点前移5%~10%,换热系数增加16%~34%,使吸力面转捩点前移17%~24%,换热系数增加19%~41%。     

MPC轴流管壳式换热器的壳程局部传热性能

对一种具有并流多通道进出口结构(MPC)的轴流管壳式换热器的壳程局部传热性能进行实验研究,分别在有壳程进口段分布挡板与无分布挡板的情况下,探讨了进口段局部表面传质努塞尔数的分布、局部平均表面努塞尔数与管束位置及雷诺数的关系,分析了进口段和换热器整体的平均传质努塞尔数与雷诺数的变化关系,揭示了壳程进口段的局部表面努塞尔数的分布规律,并进行了机理分析.研究结果表明,分布挡板能够有效促进壳程流场的分布,提高换热器壳程的整体传热性能.     

组合式射流冲击冷却壁面稳态传热特性仿真分析

射流冲击是一种具有较高的局部换热效率的换热方式,具有重要的工程应用价值.以流体仿真软件Fluent为工具,设计了多个喷嘴组合式的射流冲击冷却模型,研究了组合式射流垂直和倾斜冲击壁面时的稳态传热过程,讨论了喷嘴倾角和间距对壁面传热特性的影响.发现随着斜喷嘴倾角增大,组合式射流的壁面平均努塞尔数先逐渐增大然后减小;组合式射流继承了单束直射流和斜射流的优点,在保证滞止区传热效率较高的同时,有效地提高了射流下游的传热效率并使壁温分布更加均匀;当斜喷嘴靠近直喷嘴时,组合式射流整体传热特性与单束斜射流相似;当沿横向和纵向增大斜喷嘴与直喷嘴间距时,壁面平均努塞尔数均增大.