人射角度对气膜冷却效果影响的数值研究

采用RNG K-ε湍流模型对相同倾斜入射角不同扇形扩展角的气膜冷却单孔射流流场下游的流动和传热特性进行了详细的数值模拟,对相同吹风比下的冷却效率进行了比较分析.     

带槽双射流气膜冷却数值研究

针对双射流气膜冷却在提高气膜冷却效率中存在横向冷却效果不佳的问题,提出了一种带槽结构的双射流气膜冷却方式,即在气膜孔出口处垂直于流向横开一槽,并在平均吹风比为1.9时,采用CFX商用软件及剪切应力输运湍流模型对带槽双射流结构的流动与冷却特性进行数值研究,获得了横槽倾角对气膜冷却特性的影响规律。研究结果表明:在相同孔间距下,带槽结构能明显改善气膜在被冷却壁面的横向分布,增大气膜的横向覆盖面积,有效提高气膜冷却效率;不同的横槽倾角对气膜冷却效率具有重要的影响,倾角均为30°时的方案冷却效果最好;沿中心线远离气膜孔处出现未冷却区域,这可能与吹风比、横槽倾角、槽宽等参数有关。研究结果为射流冷却的流动与换热特性研究提供了参考依据。     

装配间隙泄漏流对透平端壁冷却影响的实验研究

为了研究叶栅装配间隙泄漏流对透平叶片端壁气膜冷却特性的影响,依据真实重型燃气透平叶片参数,搭建了端壁气膜冷却实验台。采用压力敏感漆技术测量了不同质量流量比和装配间隙角度下端壁的气膜冷却特性,使用压力扫描阀测量了主流进口雷诺数和叶片表面压力分布。通过数值计算模拟了实验叶片装配间隙的流动结构,得到了装配间隙冷气出流质量流量比及射流角度的气膜冷却特性。结果表明：在装配间隙冷气出流质量流量比为0.1%～1.0%的范围内,在相同射流角度下,增加装配间隙质量流量能够提升透平端壁气膜冷却有效度,并增大装配间隙下游出口气膜覆盖面积,冷气质量流量比为1.0%时端壁气膜冷却有效度达到最高。由于叶片端壁表面的压力梯度导致装配间隙出流集中在流道中部及出口位置。在研究的60°～90°射流角范围内,在相同质量流量比下,减小装配间隙射流角度能够有效提升端壁气膜冷却有效度,75°射流角相较于90°垂直入射条件下的气膜冷却有效度增加接近一倍;射流角为60°时端壁气膜冷却有效度达到最高。     

上游横向间断肋布置方式对气膜冷却性能的影响

为了采用气膜冷却来保护燃气轮机叶片免受高温侵蚀,针对进一步提高气膜冷却效率、减少冷却空气消耗量的需求,提出了带有上游间断肋的气膜冷却结构。采用k-ε湍流模型数值研究了带有上游横向肋结构的气膜冷却性能,分析了横向无间断肋、两侧间断肋、间断数段肋和中间间断肋这4种上游不同横向肋布置方式对气膜冷却流动的影响,比较了4种结构的气膜冷却效率和换热系数。结果表明:横向肋对下游冷气的卷吸能力与肋片长度有关,与肋片的布置方式无关;不同肋片布置方式会产生不同的涡结构,即中心间断肋会诱导主流产生一个与肾形涡旋转方向相反的涡对,从而增加冷却射流的展向扩散,有利于提高下游气膜冷却性能,而两端间断肋会诱导主流产生一个与肾形涡旋转方向相同的涡对,该涡对会进一步抬离冷却射流,降低下游气膜冷却性能;在气膜孔上游布置中心间断肋能提供最高的展向平均绝热气膜冷却效率和实际热降值。     

缝槽入口形状对气膜冷却性能的影响

通过对直缝槽、渐缩型和渐扩型缝槽的气膜冷却进行数值计算分析,获得了缝槽入口形状对气膜冷却性能的影响.首先采用基于k-ω的剪应力输运湍流模型（SST）和雷诺应力输运模型（RSTM）对缝槽气膜冷却进行了计算,并与文献数据进行了比较,验证了在相同网格质量条件下SST湍流模型能更准确地模拟缝槽气膜冷却中的流动和传热特征.在此基础上,对具有45°喷射角和具有相同缝槽出口截面积的直缝槽、渐缩型和渐扩型缝槽在不同吹风比条件下的气膜冷却效率进行了比较.数值计算结果表明,缝槽的入口几何形状对气膜冷却性能有重要影响,直缝槽的气膜冷却性能优于渐缩缝槽和渐扩缝槽;根据吹风比M=4时二次流出口附近的温度场、流线图和湍流动能分布,探讨了渐缩缝槽和渐扩缝槽冷却效率降低的原因.最后给出了M=4时缝槽出口附近的静压扰动,从机理上阐述了二次流出口后部涡形成的原因.     

利用等离子体气动激励提高气膜冷却效果的数值研究

为揭示等离子体气动激励对气膜冷却效果的影响机理,采用数值模拟方法研究了不同吹风比下的冷却气流流场分布、垂直主流截面的局部速度矢量分布和温度分布情况,并与常规气膜冷却结果作对比。结果表明,等离子体气动激励能有效诱导冷却气流偏转,提高气膜贴壁效果,延缓主流和冷却气流的掺混,壁面冷却效果显著增大;在不同吹风比下,沿流动方向等离子体启动激励气膜冷却效率的变化趋势相同;在激励器表面处壁面温度略有增大,但不影响冷却效率的提高。     

离散孔板气膜冷却对流换热系数的计算

通过对几种不同的气膜冷却对流换热系数的计算方法的归纳总结，提出用相对气膜冷却换热系数的方法来计算气膜冷却时的对流换热.在对6种不同开口规律的离散孔平板进行了实验研究的基础上，用热平衡法建立了离散孔板气膜冷却对流换热模型，用最小二乘法拟合了相应的关系式及关系曲线，并分析了来流参数及离散孔板的孔径、开口率等几何参数对气膜冷却对流换热系数的影响.     

离散孔波纹板气膜冷却技术

对2 种不同开口规律的离散孔波纹板进行实验研究, 分析了来流气动参数、波纹板的开孔规律等几何参数对冷却效率的影响. 用热平衡法建立了离散孔波纹板气膜冷却对流换热模型, 用最小二乘法拟合了相应的关系式及关系曲线, 并将有关结果与离散孔平板进行对比, 得出了离散孔波纹板, 尤其是在其波峰跟波谷之间开有大孔的离散孔波纹板, 在其波峰跟波谷之间冷却效率较低, 在孔板的尾端冷却效率的增长比离散孔平板明显加快等一些有实用价值的结论.     

叶片前缘扩张形孔气膜冷却特性的数值模拟

考虑曲率的影响下计算获得了叶片前缘带扩张形孔的气膜冷却特性,分析了平均吹风比对气膜冷却效率的影响,并与传统的圆柱形孔气膜冷却特性进行了对比.结果表明:与圆柱形孔相比,扩张形孔射流的覆盖面更宽,冷却效率更高.     

主流湍流度对涡轮导叶压力面扩张型气膜孔冷却特性的影响

为了研究主流湍流度对涡轮导叶压力面扩张型气膜孔冷却特性的影响,在高亚声速风洞中进行了实验,通过热电偶测得了气膜孔排下游的气膜冷却效率和换热系数,叶栅进口雷诺数的范围为3.0×105～9.0×105,出口马赫数为0.8。两排单排扩张型气膜孔分别位于压力面25%和70%的相对弧长处,高低湍流度分别为14.7%和1.3%。实验结果表明:对于孔排1,随着吹风比的增大,气膜冷却效率在低湍流度时呈现先增后减的特征,而在高湍流度时单调提升;在相同吹风比时,主流湍流度升高增强了主流和冷气的掺混,加快了冷气的耗散从而降低了气膜冷却效率。对于孔排2,主流湍流度升高在小吹风比时使气膜冷却效率降低,而在大吹风比时抑制了冷气脱离壁面从而提高了气膜冷却效率。吹风比增大显著增强了孔排1下游的换热,而对孔排2影响较小;主流湍流度升高显著提高了孔排1和孔排2下游的换热系数比。整体来看,主流湍流度升高降低了孔排1和孔排2下游的气膜冷却效果。     

吹风比对平板气膜冷却效率影响的数值模拟

 为了揭示吹风比M对气膜冷却效果的影响规律,在M=0.5,1.0,1.5,2.0工况下对平板气膜冷却圆柱孔模型和扩散孔模型进行了流动和传热的数值模拟对比研究。计算时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SIMPLEC算法,湍流模型选取可实现k-ε着模型,壁面函数采用增强壁面函数,分析比较了壁面温度分布、速度矢量和气膜冷却效率。结果表明,随吹风比增大,射流容易脱离壁面。在孔口附近区域,对圆孔而言吹风比对冷却效率的影响不明显,而对扩散孔冷却效率随吹风比增加而提高。在射流向下游发展过程中,就扩散孔而言较大的吹风比使得射流沿流向的覆盖区域增大;就圆孔而言较大的吹风比射流出现了回流,近下游位置处的冷却效率提高而远下游处的冷却效率降低。由此可见,针对不同的孔型,冷却效率随吹风比的变化规律不尽相同,圆孔的冷却效率不随吹风比单调变化,扩散孔的冷却效率随吹风比的增加而提高。     

扇形气膜孔几何参数对气膜冷却效率的影响

气膜冷却技术广泛应用于航空发动机火焰筒、涡轮叶片等热端部件的冷却。与常规圆柱形气膜孔相比,扇形气膜孔冷却效率更高。为更全面的掌握在典型大涵道比商用航空发动机燃烧室火焰筒工作环境下扇形气膜孔气膜冷却效率随几何参数和吹风比的变化规律,采用数值模拟方法研究了扇形气膜孔的流动和换热,分析并讨论了气膜孔板厚度、气膜孔出口宽度、气膜孔入口圆柱段长度、气膜孔倾斜角以及吹风比对扇形气膜孔下游流场和热侧面气膜冷却效率分布的影响。结果表明：在小吹风比条件下,几何参数的变化对冷却效率影响很小;而当吹风比较大时,冷却效率随几何参数的变化规律可能受其他几何参数的交叉影响;几何参数的变化将诱发不同的卵形涡结构,从而对气膜孔下游的冷却效率分布造成较大的影响。     

Film cooling with using the decomposition of an NH3 cooling stream as a chemical heat sink

The inlet temperatures of gas turbines are generally increasing over time,so conventional cooling methods are likely to approach their useful limits.It is therefore essential to investigate novel cooling methods.Based on the theory of heat transfer enhancement,a novel film cooling method for gas turbine blades using a chemical heat sink is proposed.In this method,the endothermic reaction of an NH 3 cooling stream heated by the main gas stream takes place,reducing the convective heat transfer between the mainstream and the blades.Therefore,film cooling effectiveness is improved.To test the feasibility of the proposed method,numerical simulations were conducted,using the classical flat plate with a 30 degree angled cylindrical hole(diameter,D).Film cooling effectiveness at different blowing ratios(M = 0.5,1.0,and 1.5) were computed and compared with the results of conventional cooling methods.The simulation results show that the proposed method can enhance film cooling effectiveness not only in the stream-wise direction,but also in the span-wise direction.The span-averaged film effectiveness is improved in the presence of a chemical heat sink,with the value of X/D(the ratio of downstream distance from the center of the film hole to the diameter of the film hole) increasing downstream of the film hole.The novel film cooling approach showed the best performance at M = 0.5.     

钢板超快速冷却条件下换热实验研究

采用汽雾射流冷却方式,在射流角为0°~60°时,研究了10 mm厚不锈钢板轧后超快速冷却过程中表面射流流动结构、换热区分布和钢板温降规律,分析了倾斜射流对钢板表面热流密度和冷速的影响.结果表明:射流角通过改变钢板表面滞止区和横向流区面积、水流密度、介质流动形态和流动速度,影响钢板表面换热形式和热流密度分布,进而影响超快速冷却冷速;射流角为30°时钢板平均冷速和临界热流密度均达到最大值,分别为146.5℃/s和2.75 MW/m~2.     

全气膜冷却叶片表面换热系数和冷却效率研究

为了研究全气膜冷却涡轮导叶叶片的换热特性,采用瞬态液晶技术获得了叶片全表面的高分辨率换热系数和冷却效率.实验在三叶片两通道放大模型中完成,叶栅进口雷诺数是1.0×105. 叶片前缘有8排复合角孔,压力面有21排轴向角孔,吸力面有24排轴向角孔.气膜孔排由2个供气腔供气,前腔二次流与主流的质量流量比为4.56％,后腔为4.67％.结果表明:受叶栅通道涡作用,气膜出流在吸力面呈聚敛状,在压力面则呈发散状.气膜出流受气膜孔角度影响,气膜孔下游的换热系数和冷却效率都较高.叶片前缘受到冲击,换热强,冷却效率低;叶片吸力面冷却效率维持在0.4左右,压力面维持在0.35左右.该全气膜冷却叶片气膜覆盖效果较好,冷却效率和换热系数分布均匀,是一种较好的冷却结构.     

质量流量比对全气膜冷却叶片冷却特性影响的实验研究

采用瞬态液晶技术获得了全气膜冷却涡轮导向叶片全表面的高分辨率气膜冷却效率分布云图。实验在放大模型中完成,叶栅构成为三叶片两通道,叶栅进口雷诺数是1.0?05。叶片前缘有8排扩张型孔,压力面有21排轴向角孔,吸力面有24排轴向角孔。气膜孔排由２个供气腔供气,前腔二次流与主流的质量流量比为4.56%,后腔为4.67%。结果表明：受叶栅通道涡作用,气膜出流在吸力面呈聚敛状,在压力面则呈发散状。在三种质量流量比情况下,叶片平均冷却效率分布大体一致。随质量流量比的提升,叶片平均冷却效率提高,叶片前缘区域,气膜冷却效率提升更加明显。     

喷气涡流纺导引体结构参数的优化

导引体是喷气涡流纺喷嘴的重要组成部分,为了研究导引体结构参数对纺纱的影响,对导引体的结构参数（螺旋角α、导引针长度L）进行了研究,选择5种螺旋角α／（15°,30°,45°,60°,75°）,4种导引针长度L（0．5,1,1．5,2mm）,以粘胶纤维（39mm×1．23dtex）为原料在喷气涡流纺纱小样机上进行纺纱实验,实验结果表明：OL=30°～45°,L=1～1．5mm为导引体的最佳结构参数．