流量比对气膜冷却叶片表面换热系数的影响

为深入了解某型涡轮叶栅进口导叶叶片的换热规律,采用瞬态液晶技术测量了无气膜孔叶片和带气膜孔叶片在不同流量比下的表面换热系数,通过对比分析,研究了气膜出流和流量比变化对叶片表面换热的影响.实验中叶栅通道来流雷诺数为108 000,叶片气膜出流与叶栅通道来流的质量流量比为0、3.46%、4.61%、5.77%、6.93%、8.08%、9.23%.实验测量获得了无气膜叶片中截面的压力分布曲线,以及各流量比下叶片表面的换热系数分布云图及其平均值线图.研究结果表明:叶片吸力面存在气流流动分离;气膜出流使得分离点位置提前,并且缩短了分离再附着的过渡区域;气膜出流使叶片前缘、压力面和吸力面气膜孔区域的换热系数大幅升高,但对吸力面分离点后区域的换热影响不大;在实验工况范围内,气膜出流流量比越大,换热系数越高.     

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.     

涡轮叶片最小冷气需求量的一种估算方法

通过涡轮叶片内外表面对流换热与固体导热的耦合计算,建立叶片冷气流量与叶片壁面温度分布之间的关系,从而获得涡轮叶片最小冷气需求量。首先根据假定冷气流量进行耦合计算叶片温度分布,并从中获得叶片温度峰值;再依据这一温度峰值,逐步调整冷气进口流量,直到叶片温度场符合设计要求。计算得出叶片最小冷气量为燃气总量的4.43%,叶片最高温度为1 299.11K。结果表明采用本文的方法估算的燃气涡轮叶片的冷却空气量是合理的。     

脉动流对壁面边界层流动的数值研究

为了研究非稳态尾迹对平板表面流动和换热的影响,本文将非稳态尾迹引起的主流速度脉动简化为正弦变化,通过数值的方法研究了脉动频率和振幅对平板壁面边界层流动和换热的影响,研究结果表明:边界层内的速度、壁面温度、壁面摩擦系数和平均换热系数随着时间的变化做周期性脉动;边界层内流动与主流之间存在着相位差,壁面距离越小,相位差越大;边界层内的速度和壁面摩擦系数脉动幅度的大小与主流脉动频率和振幅成正比;壁面温度和壁面平均换热系数的波动大小与主流脉动频率成反比,与脉动振幅成正比,当主流脉动频率和脉动振幅增加到一定值后,靠近壁面的地方出现回流,回流强度与脉动频率和振幅成正比。     

颗粒起动过程的数值模拟

目的采用欧拉-欧拉方法研究不同粒径沙尘颗粒起动规律。方法采用数值模拟的研究方法。结果在雷诺数为1.7×105时,分别计算了1.00,0.50,0.08 mm 3个粒径的沙粒起动过程。数值模拟的结果能够模拟出沙尘颗粒的3种运动过程,和实验现象吻合。结论对于粒径为1.00 mm和0.08 mm的颗粒来说,颗粒的起动总是首先发生在风速突变的地方;粒径越小的颗粒起动越快,即更容易发生起动过程。     

出流比及旋转数对回转通道流动换热的影响

为深入了解涡轮动叶内通道在旋转状态下的换热分布以及出口流量变化对通道壁面换热的影响,采用数值模拟方法研究了旋转带肋回转通道的流动特性,揭示了旋转数、出口流量分配比例对内通道换热的影响机理。计算模型包含3个通道和2个转弯段,通道进口雷诺数为17 000,旋转数为0~0.09,3种工况下出口1、2、3与入口的质量流量比分别为27%、49%、24%(三个出口均有出流),27%、0%、73%(出口2不出流),27%、73%、0%(出口3不出流)。结果表明:静止内通道的出流比变化仅对第3通道的沿程压力系数Cp和前、后缘面努赛尔数Nu分布有影响;旋转内通道的出流比变化会影响Cp的大小,旋转哥氏力使通道前、后缘面的Nu分布不同;离心力使径向出流通道的Cp随旋转数的增加而缓慢增大,径向入流通道的Cp随旋转数增大而迅速减小;肋扰流涡使沿程展向平均Nu沿流向呈多波峰状分布;转弯回流涡使得转弯下游通道的Nu不对称分布。     

旋转带肋回转通道流动换热数值模拟

为进一步了解涡轮动叶旋转内冷通道的流动换热规律,选取动叶内通道的相似放大模型进行实验和数值模拟研究。通道进口雷诺数为17 000,3个出口的流量分配比为1∶2∶1,旋转半径与水力直径比为46.4,旋转数分别为0和0.09。静止实验测量了沿程静压系数和努赛尔数(Nu)分布,三维数值模拟了旋转通道内部涡结构对流动换热的影响。结果表明:旋转造成通道涡偏移,改变了速度场分布,使哥氏力指向的壁面附近流速增加;旋转离心力使径向出流沿程静压系数逐渐增加,径向入流沿程静压系数迅速降低;肋扰流涡使沿程展向平均Nu呈多波峰状分布;转弯回流涡使得转弯下游通道的Nu不对称分布;旋转促使内通道的流体偏向哥氏力指向的壁面,增加了径向出流压力面和径向入流吸力面的Nu。     

孔间距对气膜冷却效率影响的数值模拟

为了研究动量比、湍流度和密度比对圆柱形气膜孔流动的影响规律,采用数值模拟方法,研究了圆柱形气膜孔的冷却效率和流量系数,并与实验值进行了对比.结果表明:随着动量比的增大,二次流在气膜孔出口处逐渐偏离叶片;气膜孔出口下游存在一个高速区域,这一区域的速度随动量比的增大而减小;在湍流度和密度比保持不变的情况下,随着动量比增加,冷却效率的计算值随着气膜孔中心至测量点的叶片表面长度的增加在总体上呈逐渐减小的趋势;在低密度比下,湍流度对冷却效率影响不大;当密度比为1.5时,湍流度的不同导致冷却效率产生显著差异,密度比越小,冷却效率越低;在气膜孔出口处,冷却效率的数值计算值与实验值存在一定的差异.数值模拟的结果能够定性地反映气膜孔的流动特性.     

短周期跨声速风洞叶栅换热实验验证

利用短周期风洞,在发动机典型雷诺数和马赫数状态下对MarkII叶型进行了表面换热测量;用基于一维半无限假设的脉冲响应法将测量的表面温度处理为热流密度,并用最小二乘法得到主流绝热壁温和表面换热系数。实验结果与国外文献使用稳态实验方法获得的结果基本一致。对数据处理方法进行了详细的误差分析,并将二维瞬态热分析法与脉冲响应法进行了对比,表明在叶片前缘曲率较大处、尾缘壁厚较薄处和换热系数剧烈变化处,一维半无限大假设条件遭到破坏,脉冲响应法的计算结果存在偏差。     

多段转弯连接回转通道的换热和压力分布研究

为了掌握涡轮叶片内的多段通道连接关系对回转通道壁面换热和沿程压力分布的影响,采用数值模拟方法研究了带肋单通道、回转通道模型的流动特性,通过瞬态液晶实验测量了回转通道壁面换热分布,揭示了多段通道连接关系对回转通道壁面换热的影响机理。实验结果表明:转弯连接使各段通道的速度分布不均;回转通道沿程压力系数逐渐减小;转弯连接使回转通道各段通道的换热分布不对称,沿流向的努赛尔数Nu逐渐减小;沿程展向平均Nu呈多波峰状分布,肋的扰流作用沿流向逐渐减弱,且两肋之间的高换热区沿流向逐渐向肋下游的背风面偏移;肋间区域的平均Nu沿流向逐渐减小;回转通道各段平均Nu随雷诺数的增加而增大,且增加幅度逐渐减小。