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。     

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。     

一种类螺纹孔结构的旋转射流换热特性数值模拟

为了提高传统圆孔射流换热的均匀性,提出了一种新型的射流孔结构,即在普通圆孔周围设置螺旋槽,类似于内螺纹,并基于已有文献中的一种置入螺旋杆喷嘴的旋转射流实验数据,发展了一种采用RNGk-ε湍流模型的旋转射流传热数值计算方法。采用该方法,研究了雷诺数(4 000~12 000)、冲击距离(1~8倍当量直径)、螺旋角(0°~75°)等参数对所设计的螺纹孔旋转射流传热的影响。数值结果表明:提高雷诺数可以有效提高换热效率,并且能获得良好的换热均匀性;随着冲击距离的增大,旋转射流的局部努塞尔数先增大后减小,双峰值特性逐渐消失并转变为单峰值特性,在4倍当量直径的冲击距离时,换热系数达到最大值;随着螺旋角增大,中心点的局部努塞尔数也随之增大,同时换热均匀性会变差。研究还发现,不同冲击距离下换热性能最佳时对应的螺旋角也不同。     

周向喷嘴数对旋流冷却流动传热特性的影响

为了研究在旋流腔周向布置多个喷嘴对旋流冷却特性的影响,分别建立了保持喷嘴几何尺寸不变和保持喷嘴进口总面积不变的旋流冷却模型。在相同质量流量和喷嘴长宽比的条件下,采用数值计算方法,研究了周向喷嘴数对旋流冷却特性的影响,并分析、对比了两种情况下旋流冷却性能的差异。研究结果表明:当保持喷嘴几何尺寸不变时,靶面平均Nu随周向喷嘴数增加而逐渐减小,但靶面Nu分布更加均匀,由于下游冷气速度受轴向横流影响较大,高Nu区向下方偏移,旋流腔冷气涡数目随周向喷嘴数增多而逐渐减少,冷气总压损失也随之减少;当保持喷嘴进口总面积不变时,随着周向喷嘴数的增加,靶面高Nu区面积和靶面平均Nu先增大然后略有减小,都在周向喷嘴数为2时达到最大值。由于下游冷气速度受轴向冲击影响较小,在旋流腔轴向下游处,靶面展向平均Nu略有提高,而总压损失随着周向喷嘴数的增加逐渐增加。     

气膜孔几何位置对旋流冷却流动与传热特性的影响

为了研究气膜孔几何位置对旋流冷却特性的影响,建立了带有气膜孔的旋流腔冷却结构,利用流体动力学软件ANSYS CFX对比分析了有无气膜孔情况下旋流冷却性能的差异,并研究了气膜孔轴宽比和周向角度对旋流冷却流动和换热特性的影响。研究结果表明:气膜孔对旋流腔靶面旋流冷气运动产生强烈扰动,使气膜孔上游冷气流速增加,下游冷气流速降低;气膜孔使主流流线向斜下方偏转,增强了整体换热强度且整体压力分布趋于均匀;轴宽比从0.3增加到0.7,气膜孔对整体流动和传热影响不大,轴宽比增加到0.9,主流小旋涡消失且靶面Nu分布更均匀;周向角度小于0°时,随着周向角度的增加,气膜孔上游高速区增大,周向角度超过0°后,高速区随周向角度增长不明显;随着周向角度增加,周向平均压力系数增加,气膜孔附近高Nu区扩大,靶面高Nu区分布更均匀。     

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、...     

肋化平板射流冲击换热特性的实验研究

采用红外热像测试技术对肋化冲击靶板双圆孔射流冲击换热进行了实验研究,研究了多种肋化形式、流动参数和几何参数对射流冲击换热特性的影响。结果表明:由于产生更多的扰动并降低肋片对射流在壁面扩散的阻碍,间断的肋片形式比连续的肋片形式有更好的强化换热效果;60°斜向间断肋型有最佳的换热效果;随着射流Reynoldes数的增大,冲击靶板的换热效果显著提高;冲击间距对冲击靶板的换热效果有一定的影响,冲击间距为冲击孔直径2倍时换热效果较好。     

四喷嘴圆形冲击射流局部传热性能的实验研究

应用萘升华传质/传热比拟技术,对喷嘴组圆形射流在不同喷嘴到被冲击表面距离(2≤H/D≤8),在4×103≤Re≤1.0×104范围内,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Re数对喷嘴组圆形射流局部换热特性的影响.研究结果表明,实验条件下,喷嘴组空气射流局部Na数呈对称分布,在附加驻点区换热与驻点区有所不同,被冲击表面中心处的换热处于最不利的位置.对喷嘴组中每一个射流而言,换热系数沿径向的变化与单个圆形射流的变化不同,靠近被冲击面中心的一侧换热系数下降较快.     

旋转半径和叶片安装角对动叶旋流冷却流动和传热特性的影响

针对航空发动机涡轮动叶片中应用旋流冷却的问题,建立了旋转条件下的旋流腔冷却模型,比较了静止和旋转条件下冲击与旋流冷却的流动传热特性差异,研究了旋转半径和叶片安装角对旋流冷却特性的影响规律。研究结果表明:叶片旋流腔旋转显著改变旋流冷却气动传热特性,旋转条件下旋流腔产生离心力和科氏力;离心力驱使冷气向叶顶方向运动,加强冷气横向冲击作用,使得高传热区域向叶顶方向偏移;科氏力方向为轴向上游或下游,引起冷气轴向回流,增强冷气掺混,减小射流冷气周向速度,显著降低了传热强度;旋转条件下,旋流冷却传热强度比冲击冷却提高了27.6%;与静止条件相比,旋转数为0.819时冲击冷却传热强度减小了30.0%,旋流冷却传热强度减小了18.6%;叶片旋流腔旋转半径增大时,冷气周向速度稍有减小,靶面平均Nu略有减小;叶片安装角增大时,旋流冷却流场和平均Nu不变,周向平均Nu分布均匀性降低。     

喷嘴周向位置和旋流腔拔模斜度对旋流冷却的影响

为了研究喷嘴周向位置及旋流腔拔模斜度对旋流冷却流动和传热特性的影响,探究综合性能更为优良的冷却结构,建立了适用于叶片前缘的旋流冷却模型。在验证了湍流模型的前提下,采用CFD方法对不同模型的流动换热特性进行了对比分析。结果表明:冷气从进口射入旋流腔,形成高速旋转运动;冷气的三维流线沿轴向先径向收缩后径向扩张。喷嘴周向位置改变时,高速旋流区和低速旋流区的相对位置改变,并且高Nu区域的周向位置改变。对于叶根进气的情况,拔模斜度增大时,高速旋流区面积增加,低速旋流区面积减小,并且压力系数减小;当拔模斜度为正值时,压力系数沿轴向降低;拔模斜度为负值时,压力系数沿轴向升高,高Nu区域面积随着拔模斜度的增加而增加。叶根进气时,以拔模斜度为-1°时为参考值,拔模斜度增大至1°时,换热强度提高了9.1%,靶面传热量增加了8.4%,摩擦因数减小了4.1%,综合换热因数提升了8.8%。本文研究分析了不同几何参数下的旋流冷却流动和换热特性,以期为实际叶片前缘冷却结构的设计提供一定的理论参考。     

喷嘴长宽比和雷诺数对旋流冷却流动与传热特性的影响

针对叶片前缘冷却流动与传热问题,建立了合理的旋流腔冷却结构。通过求解三维稳态RANS方程和标准k-ω湍流模型,数值分析了喷嘴长宽比和雷诺数对旋流冷却流动和传热的影响。基于数值计算结果对无量纲传热系数Nu、喷嘴长宽比Car和雷诺数Re进行方程拟合,得到旋流冷却的传热关联式。结果表明:冷气从喷嘴进口切向射入旋流腔并形成高速旋流,显著增强换热;随着喷嘴长宽比从0.2增大到9,旋流外区面积、冷气速度和冷气湍流动能先减小后增大,冷气压力系数先增大后减小;在大喷嘴长宽比时,Nu沿旋流腔周向和轴向的分布较为均匀;随着雷诺数的增大,冷气在旋流腔中的流动结构不变,而冷气速度、湍流动能、压力系数和壁面Nu均显著增大;平均Nu随着雷诺数的增大而显著增大,随着喷嘴长宽比的增大先减小然后增大;传热关联式与数值计算结果的误差在10%以内,可以准确预测旋流冷却的换热系数。     

喷射角度和喷嘴数对旋流冷却流动与传热特性的影响

针对喷射角度和喷嘴数影响旋流冷却流动和传热特性的问题,采用数值方法进行了研究。研究时冷气通过不同的喷嘴进口进入旋流腔并经旋流腔出口流出,当变化喷嘴数时,保持喷嘴进口在轴向上均匀分布。研究结果表明:冷气从喷嘴射入旋流腔,冲刷壁面并与轴向主流强烈混合,形成了高传热区域;换热强度在轴向和周向沿下游逐渐减弱,高传热区域在下游向出口偏移。喷射角度远离90°时,冷气旋流运动减弱,传热强度减小;随着喷嘴数的增多,冷气喷射速度减小,高传热区换热强度减小,冷气周向速度和靶面传热强度分布更为均匀;平均努塞尔数随着喷射角度和喷嘴数的增大而先增大后减小,在喷射角为90°、喷嘴数为9时平均努塞尔数最大;总压损失系数随着喷射角度和喷嘴数的增大而增大。与简单圆管旋流冷却模型相比,喷射角为90°、喷嘴数为9的旋流腔结构的换热特性更加优良。     

4种冷却结构对叶片前缘流动换热影响的比较研究

为了研究不同冷却结构对叶片前缘冷却性能的影响,建立了冲击冷却、简单旋流冷却、中间双旋流冷却和切向双旋流冷却的4种结构,利用流体动力学软件ANSYS CFX对比分析了各种冷却结构的流动和换热特性。研究结果表明:冲击冷却的冷气流速变化剧烈,靶面压力较高,流阻系数最低,局部换热强度大,靶面平均换热强度不大;简单旋流冷却的流速变化较为平缓,流阻系数较大,换热强度较大,靶面换热强度分布均匀;中间双旋流冷却的平均换热系数最大,换热强度分布比较均匀,流阻系数较小,可以作为一种新型的发展前景良好的前缘冷却结构;切向双旋流冷却的流动和换热特性很差,不具备进一步研究的价值。     

抽吸孔对旋流和冲击冷却流动传热特性的影响

针对旋流和冲击冷却流动的不同传热特性,建立了简单旋流、复合旋流、简单冲击和复合冲击冷却模型,并在相同涡轮叶片前缘几何腔体和气动条件下进行了数值研究,得到了4种模型下的流线结构以及压力和传热系数分布。研究结果表明:旋流和冲击冷却流动存在明显差别;旋流冷却冷气通过喷嘴沿切向高速射入腔体,形成旋转流动,壁面处冷气压力高,靠近腔体中心线处压力低;冲击冷却冷气通过冲击孔高速垂直射入腔体并冲击在靶面上,在靶面撞击点附近形成压力尖峰区域。显然,旋流和冲击冷却的传热特性存在差异。旋流冷却冷气强烈冲刷腔体壁面,减薄热边界层厚度,形成带状高传热区域;冲击冷却冷气强烈撞击靶面,破坏撞击点附近热边界层,形成圆形的高传热区域。旋流冷却传热分布更均匀,抗横流冲击作用更强。对于旋流冷却,抽吸孔强烈扰动冷气的旋转流动,使带状高传热区域扩大,平均传热强度增大4.5%;对于冲击冷却,抽吸孔对冷气流动结构影响较小,传热强度提升不显著。     

喷嘴数和温比对旋流冷却流动和传热特性的影响

针对喷嘴数和温比对叶片前缘旋流冷却特性影响的问题,根据实际燃气轮机前缘结构进一步完善了旋流冷却模型,建立了含有进气腔室的旋流腔结构,采用数值模拟方法分析了喷嘴数和温比对旋流冷却特性的影响。研究时保持进口雷诺数和靶面温度不变,仅改变喷嘴数和温比。研究结果表明:进气腔室的引入使得喷嘴冷气沿流动方向逐渐增加。随着喷嘴数增加,喷嘴冷气流速降低,压力系数增加,流阻系数减小,换热强度降低但均匀性提高,综合换热因子增大。随着温比增加,喷嘴冷气流速增加,流阻系数减小,靶面热流密度降低,换热强度提高,综合换热因子增大。对于含有进气腔的叶片前缘冷却结构,推荐选取喷嘴数为6,温比范围为0.6~0.7。     

压力侧冷却流对凹槽叶顶气膜冷却与传热性能的影响

为了降低凹槽叶顶整体热负荷并提高高传热区的气膜冷却效率,研究了压力侧冷却射流对透平级凹槽叶顶冷却传热性能的影响。通过数值计算获得了2种压力侧气膜孔形状(圆孔、扩张孔)和5种压力侧射流角(20°～40°)条件下,透平级凹槽叶顶的传热系数和气膜冷却效率分布。研究表明：前缘压力侧冷却流进入凹槽,增强了凹槽底部的冷却效果;中部和尾缘压力侧冷却流对凹槽肩壁和叶顶尾缘进行了冷却,增强了叶顶高热负荷区域的冷却效果。在所研究的射流角范围内,射流角越小,凹槽叶顶的冷却效果越好。当采用扩张孔、射流角由20°增大到40°时,肩壁的面积平均传热系数增大了6%,面积平均气膜冷却效率减小了14.3%;叶顶压力侧的面积平均传热系数增大了36%,面积平均气膜冷却效率减小了37.2%。在小射流角条件下,扩张孔的叶顶和压力侧冷却效果优于圆孔。射流角为20°时,与圆孔相比：扩张孔使凹槽肩壁面积平均传热系数减小了2%,面积平均气膜冷却效率增大了5.9%;扩张孔使叶顶压力侧的面积平均传热系数减小了22.6%,面积平均气膜冷却效率增大了43.3%。     

燃气轮机叶片前缘旋流冷却的热流固耦合数值研究

为了探究旋流冷却的热流固特性,建立了旋流冷却热流固耦合模型和纯流体模型,在相同边界条件下对两种模型的旋流冷却性能进行了对比研究,同时分析了热流固耦合模型温度场与结构场的分布特性。研究结果表明:固体壁面导热对冷气的流动影响较小,但对流体区域的换热会产生一定影响,热流固耦合模型下靶面的换热强度分布更为均匀,沿冷气流动方向高低换热区域的换热强度差异逐渐减小,各喷嘴进口对应高换热区域的换热强度沿流动方向逐渐增大,热流固耦合模型下靶面的平均换热强度比纯流体模型减小了5.05%;固壁导热对靶面温度有着显著影响,热流固耦合模型靶面温度分布比纯流体模型更为均匀;热流固耦合模型固体区域的整体温度沿着冷气流动方向逐渐升高,整体应力则沿冷气流动方向先增大后减小,靠近叶根和叶顶的区域出现应力集中;整体应变的变化趋势与整体应力变化趋势类似,但在固体传热面上,中部区域出现低应变区域。     

缝隙冲击射流淬火对流换热的影响因素

采用有限元方法对非淹没缝隙射流冲击区单相对流换热进行数值模拟.结合辊式淬火冷却的特点,分析了缝隙射流冲击区对流换热的影响因素如射流速度、射流出口距冲击板的距离(高度)、喷嘴宽度、射流出口速度方向与冲击板之间的夹角、水温等.结果表明:在淬火100 mm厚钢板时,经济实用的工艺参数为射流速度40～45 m.s-1,射流出口距冲击板的距离(高度)20 mm,喷嘴宽度2 mm,射流出口速度方向与冲击板之间夹角45°,水温10～35℃.