再生冷却结构参数对煤油流动换热的影响及优化

为揭示冲压发动机燃烧室再生冷却结构参数对煤油流动换热的影响,实现对结构参数的优化,以单根再生冷却通道为研究对象,在通道总数一定的情况下,分别对RP-3航空煤油在不同内壁厚度、肋片厚度及高度的通道中流动换热进行了数值研究,发现薄内壁的通道冷却效果好,流动压力损失稍大;厚肋片的通道冷却效果好,但压力损失随肋片厚度的增大而急剧增大;随着高度增大,冷却效果变差,但流动压力损失急剧减小;3种结构参数对油温的影响都很小。分别对影响机理进行了理论分析,在此基础上,为得到一种对流换热效果尽可能好以及流动压力损失尽可能小的冷却通道,利用Workbench平台的目标驱动优化工具,采用遗传算法对冷却通道进行优化设计,经校验,优化后的通道满足设计目标。     

航空发动机涡轮叶片尾缘楔形通道交错肋冷却实验

为研究涡轮叶片尾缘部分楔形通道交错肋流动传热性能,对其进行实验研究.实验应用瞬态液晶测试技术,对比研究了交错肋上、下主表面的局部传热特性,同时用压力扫描阀测得不同雷诺数下的通道压力损失.研究结果表明：尾缘段转折流动配置下,楔形通道交错肋上、下主表面传热差异显著,下主表面平均努塞尔数比上主表面平均高30%以上,尾缘楔形通道内交错肋结构主表面平均换热系数高出针肋结构约46%;交错肋上、下通道之间的交界面处存在强烈的质量交换作用,上、下主表面间断性的高换热区与上、下通道交界面呈现对应关系;随入口雷诺数的增加,通道压降快速增大.楔形通道交错肋压降是针肋的5～7倍,但其换热面积高出针肋107.4%,仍比针肋冷却增加约66%的综合换热性能.     

具有柱肋阵列与分离式柱肋阵列的冷却通道内流阻与传热实验研究

在常规柱肋阵列冷却结构的基础上对一种新型分离式柱肋阵列冷却结构内的流动和传热特征进行了实验和数值计算研究.在雷诺数Re=8 200~50 500时,对具有新型分离式柱肋阵列的冷却通道和具有常规柱肋阵列的冷却通道内传热和流动压力损失性能进行了对比实验研究.对2种通道内的流动与传热进行了三维稳态数值计算,对比研究了其各自的速度场和局部传热特性,揭示了分离式柱肋阵列强化传热以及降低流动阻力的机理.实验结果表明,在所研究的Re范围内,与常规柱肋阵列通道相比,新型分离式柱肋阵列通道具有更高的平均努塞尔数(Nu)以及更小的阻力损失.     

楔形通道中束腰结构扰流柱对强化传热特性的影响

采用数值模拟方法对装有束腰结构扰流柱的楔形通道的换热和流动阻力特性进行了研究,并与传统圆柱通道进行了比较。本文重点研究了扰流柱的束腰程度的影响。结果表明:(1)随着雷诺数的增大,换热效果增强,阻力损失系数变小。在较大雷诺数时,与圆柱通道相比,束腰结构扰流柱通道的换热效果稍低;(2)随着束腰参数的增大,换热效果提高,然后趋于平缓。     

V形肋通道内蒸汽冷却的传热及流动特性

在雷诺数处于(6.0~17.7)×103的条件下,利用红外热像仪测量了蒸汽冷却、不同角度V形肋通道换热表面的局部努赛尔数分布,利用计算流体动力学软件对其进行了数值模拟,分析了不同角度V形肋通道内蒸汽的传热特性及压力损失,并与相近工况下的空气冷却结果进行对比.结果表明:采用V形肋通道可以有效提高通道的强化换热特性;随着V形肋角度的减小,冷却性能不断提高,45°的V形肋通道的换热性能最佳;V形肋可使换热通道内部流体形成二次流,通道核心区的低温流体随之补充,使得通道中间靠近换热面的热边界层减薄;在相同雷诺数的条件下,蒸汽冷却的传热性能明显高于空气冷却,但两者的压力损失十分接近.     

带有倾斜楔形肋片矩形通道内的流动与换热

提出了一种新型的燃气轮机叶片内部通道强制对流冷却方案.为了探明该种对置叉排倾斜楔形仿螺旋肋片通道结构特有的综合换热效果,利用数值分析方法研究了在通道宽高比为2.9、肋高与通道当量直径比为0.336、肋片与轴面的夹角为15°、雷诺数在2×104~1×105的非旋转情况下,雷诺数、肋片与主流方向夹角等参数对通道强化传热和流动阻力特性的影响.研究结果表明,该仿螺旋通道内流体流动达到了预期的仿螺旋流动效果,且该仿螺旋流动的效果随着楔形肋片与主流方向的夹角的增大而效果愈趋明显.这种旋转流动特性对内冷通道的强化传热和流阻特性具有很强的影响,与光滑通道相比,通道平均努塞尔数得到了明显的提高,但同时流动阻力也显著增加.     

三通道旋流冷却流动与传热性能

针对雷诺数为40 000下涡轮叶片内部三通道旋流冷却结构进行瞬态热色液晶实验与数值模拟研究,并与普通转折通道进行比较分析.通过瞬态实验获得壁面高精度的努塞尔数分布与通道的沿程压力损失,结合数值计算结果得到如下结论:旋流通道显著增强了系统的换热能力与换热均匀性,第2、第3流程的壁面平均努塞尔数比普通转折通道分别提升了60%、57%;转折位置的冲击损失与节流损失是三通道结构的主要压力损失;旋流通道的全通道压力系数约为普通转折通道的3倍,且随着雷诺数的增大有增大的趋势;数值计算显示旋流通道内总压损失比静压损失减少了25%,使用总压分析沿程压力系数更为合理.     

蒸汽冷却带肋矩形通道流动和换热特性数值研究

为了阐明蒸汽冷却带肋矩形通道的换热增强机理,基于三维RANS方程和标准k-ω湍流模型,数值模拟了带肋矩形通道的流场和换热特性,研究了雷诺数、入口宽高比和肋间距对流动和换热特性的影响,进一步分析了努塞尔数与雷诺数、入口宽高比、肋间距之间的关系,由此得出带肋矩形通道的传热关联式。结果表明:肋片的存在破坏了较厚的换热边界层,增强了换热性能。雷诺数增大,平均努塞尔数、综合换热因子均增大,阻力系数小幅上升;宽高比增大,平均努塞尔数、综合换热因子均增大,阻力系数大幅上升;肋间距增大,平均努塞尔数增加,阻力系数先增后减,综合换热因子先减后增。所得传热关联式可为先进燃机蒸汽冷却叶片的设计提供参考。     

肋角度对矩形带肋通道蒸汽流动和换热特性的影响

在带肋单通道蒸汽强化换热试验研究的基础上,采用SSG雷诺应力湍流模型,求解了三维定常雷诺平均Navier-Stokes方程,对30°、45°、60°和90°4种带肋通道进行了蒸汽流动的数值计算,同时研究了雷诺数对矩形带肋通道中冷却气体的流动和传热特性的影响,并比较分析了不同肋角度下带肋通道的流动和传热特性。结果表明:斜置肋片能有效提高带肋通道的换热效果,同时也将带来很大的流动阻力;与90°带肋通道相比,60°、45°和30°带肋通道的热力系数分别增加了约29.3%、24.6%和20.9%,就综合热力性能来说,60°带肋通道是最好的结构形式。     

不同相位差正弦型波纹通道内流动与换热特性的数值研究

研究了流体在不同相位差的正弦型波纹通道内周期性充分发展的层流流动特征及强化换热特性,利用数值模拟方法探讨了波纹上、下板相位差对流动与换热的影响.计算结果表明:对于不同相位差的通道在当量直径与入口质量流量分别相同的条件下,流动与换热特性与Re的范围有关,上、下波纹板相位差为0°与180°时通道的阻力较高,相位差为30°时通道的阻力最低,同时也以相位差为0°时通道表面的换热速率最高,相位差为30°时通道表面的换热速率相对较低,即表面换热性能的改善要以压力损失的增大为代价.     

狭缝宽度对分离式柱肋冷却通道内传热与流动影响的数值计算

在雷诺数为8 200~52 500内分别针对宽度为1.0,1.5,2.0,2.5mm的分离式柱肋冷却通道和同类型的柱肋冷却通道进行了传热特性和流动性能的三维稳态数值计算研究.数值计算采用结合加强壁面处理的realizable k-ε模型.将计算结果进行网格独立性验证和实验验证以保证数值计算的准确性.在所研究的Re数范围内着重分析了分离式柱肋中间狭缝宽度对冷却通道内流场和局部换热特性的影响.数值计算结果表明:分离式柱肋狭缝宽度对冷却效果有很大的影响,在研究的Re数范围内,分离式柱肋存在一个最优宽度,使得冷却效果最佳.     

矩形通道内航空煤油流动换热数值研究

针对先进动力装置利用航空煤油实现再生冷却的现实需求,建立了矩形冷却通道流/固/热耦合的三维数值模型,分析了入口质量流量、压力、热流密度等工况条件对矩形通道内航空煤油流动传热特性参数的影响。结果表明：增大质量流量和减小热流密度都会提升航空煤油的换热能力;在一定压力范围内,压力对航空煤油换热的影响不明显,但随着压力的增加,煤油的换热能力变差;由于传热恶化的发生,上述工况对压力损失和摩擦阻力的影响较为复杂。     

重力场下细微循环通道内热驱动换热的数值模拟

采用数值模拟方法,比较了重力场下4种细微循环通道内的热驱动换热现象.4种通道都是一端加热,一端冷却,利用彻体力场下流体的热驱动来实现换热.研究表明,4种循环通道具有相同的热驱动换热规律,并且随着循环通道的增加,热驱动换热能力逐渐增强.因此,将微小循环通道换热运用于涡轮叶片的冷却时可以考虑采用多循环通道,利用流体的自适应性来增强换热.     

高温长时间风洞喷管冷却结构CFD研究

高温长时间工作的风洞喷管需要冷却,这需要在喷管上开冷却通道槽。本文采用冷却效率较好的矩形冷却通道,研究喷管冷却的影响因素。文中建立喷管冷却结构三维模型,详细分析喷管的传热类型同时考虑辐射换热,基于简单准确原则对计算三维模型作一系列简化假设,最后采用CFD技术进行数值模拟。了解冷却通道高宽比对喷管冷却的影响规律,指出考虑和不考虑辐射换热喷管冷却效果的差别,同时明确气流总温对冷却效果的影响程度并提出改善措施。     

单兵数字化头盔微风扇散热的理论计算与实验研究

现代战争已经步入数字化时代.这些数字化系统在提高军事作战能力的同时,也带来了不便,例如单兵数字头盔系统的散热问题.研究了基于微风扇的头盔冷却散热方法,首先建立了人体头部的传热学模型,并利用Fluent数值模拟软件,对微风扇不同风量,以及不同风流道对头部的降温影响进行了三维数值模拟.通过比较计算结果,得到了较为合适的风量值和风流道布置,两者匹配可以实现最佳散热效果.另外,本文还设计了相应的散热实验对数值模拟结果进行验证.实验中,以采用微型风扇散热的单兵数字头盔、30岁健康男性的头部作为测试对象,引入红外成像技术及热电偶测温方法对实验过程和结果加以观测和记录,结果证实了微风扇冷却头盔的有效性.同时,实验结果与数值模拟结果基本一致,证实了数值模拟方法的可行性.最后,对单兵数字化头盔的散热技术前景进行了展望,归纳总结出有待解决的基础科学和应ffJ技术问题.     

铸铁水平连铸用圆结晶器冷却水道设计的研究

利用计算机数值模拟方法系统地研究了铸铁水平连铸用矩形截面螺旋水道圆结晶器水冷套中水道结构尺寸和水流量对结晶器换热能力的影响结果表明：在等水压条件下，一定长度及直径的结晶器，其水道截面一定时，水道宽度是结晶器换热能力的控制因素；在其它条件相同时，水道截面积增加能有效地提高换热能力；水流量在很大范围内对结晶器换热能力有调节作用。针对铸铁凝固特点，提出铸铁水平连铸用圆结晶器冷却水道的设计原则。     

超临界CO2热泵蛇形管气冷器传热特性研究

为了减少能源消耗、提高CO₂热泵的效率,基于Fluent软件,采用数值模拟方法对超临界CO₂在蛇形管气冷器中的传热特性进行研究。主要探究蛇形管内超临界CO₂的流动特性,通过改变操作压力、CO₂和冷却水的质量流量,分析蛇形管的传热性能。结果表明,蛇形管中离心力周期反向,会使温度和速度梯度呈周期性的内侧和外侧交互扩散的趋势;超临界CO₂压力越靠近临界点,平均传热系数越高,压力为8 MPa下的平均传热系数相较于9 MPa和10 MPa分别提高了24.37%和42.53%;超临界CO₂的平均传热系数随着CO₂质量流量的增加而增大,随着冷却水质量流量的增加而降低,冷却水质量流量的增加不会对峰值点的传热系数产生影响,但会使峰值点出现的位置提前。研究结果为超临界CO₂热泵蛇形管气冷器的设计、运行及热效率的提升提供了理论依据。