湍流度对二维内冷叶片外换热的 影响

发动机叶片外换热准确预测一直是理论界和工程界的一个难点。利用数值方法对影响叶片外换热的湍流度这一因素进行了系列研究。在对文献经典叶片MARK Ⅱ的5411 Run42工况进行计算模型验证的基础上,通过改变湍流度,得到了叶片外侧对流换热系数随湍流度的变化规律。结果表明:1增加湍流度使叶片外侧对流换热系数增加;但继续增加湍流度反而使叶片外侧对流换热系数略有降低;2湍流度的增加使叶盆叶背前缘的外侧对流换热系数增加10%;3在某一确定的湍流度下,压力面随流向距离弧长比X/S的增大叶片外侧对流换热系数先增加后降低,吸力面随着X/S的增大叶片外侧对流换热系数呈现先增高后降低,再升高再降低的趋势;4增加湍流度,吸力面除靠近前缘位置叶片外侧对流换热系数增大外,其余位置湍流度对叶片外侧对流换热系数几乎无影响。     

降膜微通道内液相成膜特性及气-液传热过程数值模拟

采用流体体积函数(VOF)模型对浓硫酸(w=98%)在降膜微通道内的降膜流动及气-液两相传热行为进行了二维数值模拟。重点分析了液相入口流速对液膜厚度、液膜内速度分布的影响,结果表明液膜厚度与入口流速成正比,液膜内速度呈抛物线型分布。模拟研究了气-液两相入口流速、温度等因素对相间传热系数的作用规律,结果表明传热系数随气、液入口流速的增加而增加,随气相入口温度的增加而降低。与传统设备相比,降膜微通道内模拟所得的液膜努塞尔(Nu)数提高约8.77倍。     

非对称波纹通道内流动与传热的数值计算

以空气为介质,在雷诺数Re=50~1 100的范围内对非对称的三角形、正弦形和椭圆形波纹通道内稳态层流流动与换热进行数值模拟,分析了恒壁温条件下,Re、波纹板形状对流动与换热特性的影响,并拟合出了各通道内阻力系数f及表面换热特性数Nu随Re变化的关联式,同时对3种波纹通道的综合性能G进行了分析评价。结果表明,椭圆形通道的f最大;Re<500时三角形通道的f最小;在Re>300后椭圆形通道表面的Nu值最大;各通道的综合性能,以Re=900为界,在小Re时以正弦形通道性能最佳,椭圆通道的最差,大Re时椭圆通道的性能最佳。     

X型桁架阵列通道流动及传热性能的数值研究

为提高涡轮叶片中弦区的冷却效果,提出了一种力学性能优异、导热和对流传热性能均优良的X型桁架阵列结构,并填充于叶片中弦区内冷通道之中。采用耦合传热数值方法开展了X型桁架阵列冷却通道的数值模拟研究,分析了雷诺数(Re为10 000～60 000)、桁架杆直径比(d/D为0.037 5～0.075)、桁架杆夹角(α为30°～60°)和桁架杆倾角(β为15°～45°)对X型桁架阵列通道流动和传热性能的影响规律,拟合得到了有关X型桁架阵列通道流动和传热性能的经验关联式。研究结果表明:X型桁架通道的摩擦系数随雷诺数Re的增大以及桁架杆直径比d/D和夹角α的减小而降低,随倾角β的增大而先提高后又降低;在研究参数范围内,桁架杆表面平均努塞尔数大约是通道壁面平均努塞尔数的2.32～4.41倍;增大Re、d/D、α和β使得X型桁架阵列通道的整体平均努塞尔数有效提高;减小Re和d/D、增大α和β,使得X型桁架阵列通道的基于整体平均努塞尔数的综合热力系数有效提高。     

单侧周期性温度边界下多孔介质方腔内自然对流传热数值模拟

采用局部非热平衡模型,在方腔左侧壁面温度正弦波变化的边界条件下,应用SIMPLER算法数值模拟研究了固体骨架发热多孔介质方腔内的稳态非达西自然对流,主要探讨了不同正弦波波动参数N、振幅A及方腔的高宽比M/L对方腔内自然对流与传热的影响规律。计算结果表明:方腔左侧壁面附近出现了周期性的正负变化的温度场分布,壁面局部传热系数出现了周期性的震荡现象;存在一个最佳温度波动参数N=3,此时流体相壁面的平均Nu达到最大值;存在一个最佳的方腔高宽比M/L=0!1,使得多孔介质方腔内自然对流传热效果最好,增加或减小高宽比都会在一定程度上削弱多孔介质方腔内的传热效果;相对于温度均一的边界条件,正弦波温度边界条件能够增大壁面的平均Nu数,起到强化传热的作用。     

交错肋结构涡轮叶片内部冷却通道的流动换热特性研究

利用数值模拟方法研究了交错肋结构涡轮叶片内部冷却通道的流动换热特性,分析了交错肋冷却通道的流动换热机理。交错肋结构在明显提高通道冷却性能的同时也带来了较大的流动损失,随着肋倾角、肋宽的增大,通道的换热能力增强,阻力损失增大;随着肋间距的增大通道的换热能力降低,阻力损失减小。利用瞬态液晶实验技术对交错肋冷却通道进行实验研究,进一步分析了交错肋冷却通道的流动换热机理,并验证了所采用的数值模拟方法是可行的。     

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。     

水平环状扇形通道内自然对流的数值计算

对水平放置环状扇形通道在内、外管壁为恒热、冷温度，及两侧壁为绝热的边界条件下件下自然对流换热的数值计算，得出了偏转角、扇角、半径比及Ｒａ数对当量导热系数Ｋ∞的影响，基本揭示了各种环状扇形通道内的自然对流换热规律，对工程实际应用有很强的指导意义。     

弦月形通道内热虹吸沸腾强化传热的数值计算

弦月形狭缝通道热虹吸沸腾传热具有明显的传热强化效果 ,以溴化锂水溶液为工质的实验测试表明 ,其传热系数达到5～ 6kW/ (m2 ·K) .基于这种狭缝通道气泡底部薄液膜蒸发机理 ,建立了狭缝沸腾传热组合机理模型 .计算结果表明 ,随着时间的延续 ,膜内温度逐渐趋于线性分布 ;热流密度增大 ,液膜厚度变薄 ;沸腾传热系数随着热流密度的增大而增大 .分析了不同边界及初始条件下的气泡底部液膜蒸发传热特性 ,解释了气泡受挤压变形后气泡底部的液膜厚度减薄是传热效率得到增强的主要原因 .该传热模型的求解结果与实验结果吻合良好 ,说明本模型是合理的     

高温涡轮叶片内冷通道强化换热试验系统设计

针对重型燃气轮机高温涡轮叶片的双工质冷却技术,设计建造了研究带肋复杂叶片内冷通道内蒸汽/空气流动及强化换热特性的试验平台。该平台由压缩机、蒸汽发生器分别提供冷却空气和蒸汽源,可以进行叶片内冷通道内蒸汽、空气两种工质的对流、冲击、肋柱扰流及多种冷却结构下的冷却换热机理和摩擦阻力特性研究。从而能揭示叶片内冷通道内流动阻力、表面强化换热与不同冷却结构几何参数及气(汽)动参数的影响规律。获得单元通道内蒸汽/空气为冷却介质的高效冷却结构及相关换热关联准则式。     

喷雾冷却中射流出口高度和高温钢板表面温度对换热系数的影响

利用有限元耦合场数值模拟计算方法进行了高温钢板纯水喷雾冷却的模拟,研究了射流出口高度和钢板表面温度对换热系数的影响.模拟结果表明:在其他参数不变的情况下,随喷射距离(在200～500 mm范围内)的减小,换热系数总体呈增加趋势;随钢板表面温度(在1050～1 200 K范围内)的增加,换热系数总体呈减小趋势.     

复合冷却涡轮导叶的气热耦合数值模拟

采用气热耦合方法对高压涡轮一级导叶带全气膜冷却、冲击冷却和尾缘劈缝冷却的复合冷却结构进行了数值模拟。分析了带复合冷却结构叶片的三维温度场,主要研究了主流燃气雷诺数、冷气与燃气的流量比和燃气与冷气的温比对叶片温度和冷却效果的影响。结果表明:随着流量比增大,叶片前缘壁面平均温度先增后减,压力面和吸力面温度均减小。叶片壁面各处平均温度随温比增大而降低,受雷诺数影响很小。叶片综合冷却效果随流量比增大而增大,受温比和雷诺数影响很小。     

高温气体流过圆管时壁面发散冷却的数值模拟

对超高温燃烧室发散冷却全场进行有效的数值模拟对燃烧室材料结构设计具有重要的意义。该文通过FLUENT 6.1,采用RNG k-ε湍流模型,建立了高温气体流过圆管时多孔介质壁面发散冷却的全场耦合数值计算模型。该模型计算结果与低温氦气、低温空气发散冷却实验结果基本吻合。该文研究了常温氢气对超高温燃烧室内燃气的发散冷却,结果表明,忽略对流传质边界层的影响会导致计算预测的壁面温度偏高,忽略孔隙率局部分布的不均匀性会导致冷却壁面端部出现高温计算结果,这不符合常理。在注入率为1%左右时,冷却壁面温度在400~900 K的范围内,壁面局部热流密度降至200 kW/m2左右,可以满足航天器燃烧室保护壁面的需要。     

合成射流流动与传热特征的数值模拟

采用RNGκ-ε模型和PISO算法,通过求解三维N-S方程,对腔体右侧振动膜片运动的二维合成射流流动与传热特征进行了数值模拟.模拟结果显示由于激励器在右侧振动膜片的作用下,合成射流产生的喷射气流在喷口中心右边速度稍大于左边速度,形成不对称射流流场;射流冲击壁面的速度峰值出现在中心区两侧,使得射流冲击换热的Nu数形成相应的峰值;随着合成射流冲击距离Z/do的增大,其对流换热系数出现先增大后减小的变化规律,当冲击距Z/do=20~30 mm时冷却效果较佳.     

小方坯结晶器水温水速对传热过程影响

通过建立结晶器内钢液和水的二维对流-传热耦合模型过程,研究了小方坯结晶器冷却水入口温度和流速对铜管温度和结晶器内平均热流的影响.该模型使用Fluent进行求解,模拟了钢液和冷却水的流动和传热,凝固坯壳的生长,以及热量以辐射和导热两种通过保护渣和气隙.通过将坯壳厚度和铜管温度与其他研究的结果进行对比来验证模型准确性.研究结果表明,结晶器冷却水的温度显著影响铜管的冷面温度,水温超过313K会导致铜管冷面最高温度超过水的沸点.水流速升高0.49 m·s-1能够消除水温升高4K带来的不利影响.     

高温烧结矿气-固换热过程数值模拟及参数分析

在详细分析了高温烧结矿冷却过程传热机理的基础上,根据能量守恒定律建立了高温烧结矿气--固换热过程的一维非稳态热过程数学模型,并利用现场实测数据对所建立的数学模型进行了验证.结果表明:所建立的数学模型是正确可信的.在此基础上,重点研究了冷风风速和台车移动速度等主要热工参数对环冷机内冷却过程的影响,并针对某环冷机的实际生产情况提出了具体的操作建议.     

螺纹钢筋穿水冷却时的对流换热系数模型

针对我国近年来引进的棒材连轧生产线普遍采用的环状喷嘴冷却器，经实测得到了螺纹钢筋在穿水冷却过程中的对流换热系数计算模型，并据此对钢筋轧后穿水过程中的温度场变化进行了计算机模拟与预报。经在唐钢棒材厂的试验表明，温度的计算结果与实测符合得较好，从而为钢筋组织性能的控制及高强钢筋的开发提供了强制对流换热系数的实用而可靠的计算方法。     

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.