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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

叶片前缘旋流蒸汽冷却流动和传热的数值研究

通过求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes方程和标准k-ω湍流模型,数值研究了旋流蒸汽冷却的基本原理,分析了冷气雷诺数和来流温比对流动和传热特性的影响,旨在阐明旋流蒸汽冷却的原理,总结其流动传热的变化规律。在此基础上对无量纲换热系数Nu、雷诺数Re和来流温比φ进行数值拟合,得到旋流蒸汽冷却的传热关联式。研究表明:冷气在旋流腔内的高速转动引起强烈的径向对流运动,使得换热增强;增大雷诺数能够增大冷气的涡量,有效提高旋流腔的换热系数,同时降低阻力系数;增大来流温比使得冷气的涡量增大密度减小,旋流腔的换热系数略有减小,阻力系数显著降低;综合换热因子随着雷诺数的增大而增大,随着来流温比的增大而减小;拟合的传热关联式与数值计算结果吻合良好,可以准确地预测蒸汽旋流冷却的换热系数。     

管内切向三维紊流旋流流动和传热数值研究

在引进先进的通用化CFD软件(PHOENICS)的基础上,采用目前工程实际中应用最广泛的K-ε湍流模型,通过编制PHOENICS输入文件Q1,对直管内切向旋流湍流的压力场、速度场、温度场和密度场进行了数值模拟,开发出能够计算直管内三维可压缩流体有粘切向旋流紊流流动和传热的一些有价值的结果.     

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。     

燃烧室出口旋流对静叶栅端壁流动型态和传热冷却特性的影响

贫油预混燃烧室出口的强旋流和温度不均匀特征向下游迁移,直接影响了下游涡轮静叶栅端壁的气动性能,进而改变了气膜冷却端壁的传热冷却特性。设计了具有典型速度和温度出口特征的燃烧室,与实验数据对比,验证了设计的燃烧室出口具有典型的旋流和温度分布特征。采用数值求解三维雷诺平均N-S方程和剪切应力传输湍流模型SST k-ω研究了燃烧室出口旋流对静叶栅端壁流动型态和传热冷却特性的影响。对比分析了燃烧室出口旋流核心与静叶栅沿栅距5个相对位置时气膜冷却端壁的流场型态和传热冷却特性。研究表明：当燃烧室出口旋流中心正对静叶片1时,马蹄涡压力面分支横向迁移被削弱造成滞止点向下游移动,端壁传热恶化,第3排气膜冷却射流被带离端壁,绝热气膜有效度降低;旋流中心正对静叶片2时,马蹄涡压力面分支裹挟第2排气膜冷却射流冲击吸力面,二次冷却效果提升的同时端壁面平均气膜有效度提高,最大值为0.148,无量纲面平均热通量减小了0.055 5。该研究揭示了燃烧室出口旋流对下游静叶栅端壁流场型态和传热冷却特性的影响机制,为端壁气膜冷却布局设计提供了一定的参考。     

旋流对等离子体反应器内传热与流动的影响

为满足大气压气体放电热等离子体先进材料加工的要求,研究了当等离子体发生器出口处存在旋流流动时,旋流效应对有反向载气注入条件下等离子体反应器内传热与流动特性的影响.在所研究的参数范围内的计算结果表明:旋流对等离子体的轴向运动有抑制作用,且有助于强化等高子体射流与反向载气的混合,从而影响反应器内的传热与流动特性以及发生器出口与反向载气喷营出口之间所形成的滞止平面的位置;而且随着旋流数的增加,旋流对等离子体轴向运动的抑制作用也会增强.     

跨/超声速间隙流动与传热特性的影响机理研究

为随着涡轮性能不断提升,叶片顶部与机匣间隙两侧压差不断提高。在此作用下不可避免地产生跨/超声速间隙流动,造成流体做工的能量损失,并且对涡轮叶片顶部产生严重加热与烧蚀。本文针对不同间隙构型及冷却射流对间隙流场及换热的影响进行研究,结果表明：在常规平顶构型的跨/超声速间隙流动中,下壁面热流在距分离泡尾部再附点后约0.5mm处达到最大,间隙内激波边界层干扰为典型的层流入流边界层干扰。间隙采用压力侧凹腔构型能有效降低下壁面热流,使得热流峰值相比平顶构型降低23.3%;间隙前缘的小钝化半径对热流影响较小,但会造成较大泄漏增量,这说明叶片在高温工况下自然钝化并不能有效降低热流。随着前缘钝化半径逐渐增加,存在临界半径使得分离泡恰好消失,整体热流峰值骤降。考虑叶顶射流主动冷却作用,分离泡内射流对流场的影响取决于射流压力的大小,存在合理范围使得冷却流体在分离泡后部产生较好的冷却效果,同时对前部热流影响较小。     

进口雷诺数和湿空气含湿量对冲击冷却流动和传热特性的影响

为进一步探索湿化燃气轮机透平循环的叶片前缘冷却情况,分析了进口雷诺数和湿空气含湿量对冲击冷却流动和传热特性的影响。建立了带有进气室、单排圆形冲击孔和冲击冷却腔的冲击冷却模型,利用ANSYS CFX软件数值研究了进口雷诺数和湿空气含湿量对冲击冷却流动和传热特性的影响,总结了湿空气冲击冷却的流动和传热规律。在此基础上,对努塞尔数与冲击孔雷诺数和湿空气普朗特数进行关联式拟合,得到了湿空气冲击冷却的传热关联式。研究结果表明:冲击冷却的冷却性能随着进口雷诺数和含湿量的增大而提高;冲击射流冲击至靶面后沿着壁面向四周流动,并在冲击腔内形成复杂的流动涡结构;增大进口雷诺数能够显著增大冷气的涡量,提高换热靶面的换热强度;相同进口雷诺数下,干空气冷却和湿空气冷却换热靶面努塞尔数分布规律一致,但数值上湿空气冷却的略高于干空气冷却的,并且二者差异随着进口雷诺数的增大而增大;冷却工质的质量流量随着含湿量的增大而减小,换热靶面努塞尔数随着含湿量的增大而增大;拟合的传热关联式与数值计算的结果吻合较好,能够较好地预测湿空气冲击冷却的换热系数。     

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.     

吹风比和湿空气含湿量对平板气膜冷却流动与传热特性的影响

为进一步分析出湿空气作为冷却工质时气膜冷却相对于干空气气膜冷却的差异,分别通过实验与数值方法,探究了吹风比和湿空气含湿量对平板气膜冷却的影响。在实验研究中,采用红外热像仪测量靶面温度,对比分析了不同含湿量与吹风比下平板气膜冷却性能变化规律,从而得到气膜冷却效率关于吹风比与含湿量的变化关系。在数值研究中,建立了具有单个气膜孔、周期性边界条件的气膜冷却模型,利用ANSYS CFX软件数值分析了高温高压条件下的不同吹风比,不同湿空气含湿量条件下的流动与传热特性。结果表明：在实验条件下,当吹风比为0.7时,靶面冷却效率随含湿量的增加而增加;当含湿量为188.9 g/kg时,湿空气相对于干空气的靶面平均冷却效率增加量最高,约为4.8%。数值分析结果和实验吻合较好。进一步的数值分析表明,当吹风比为0.7时,气膜冷却效果最好,且吹风比处于0.3～0.7之间时,靶面的气膜冷却效果均随着含湿量的增加而增加,当吹风比大于0.7时的规律则相反。基于实验结果与数值结果拟合出靶面平均气膜冷却效率关于吹风比和含湿量的关联式,实验值和数值结果与关联式的相对误差均小于±2%。     

低旋流燃烧和流动特性数值模拟研究

为研究低旋流燃烧(LSC)技术背离传统旋流燃烧机理的燃烧方式,以及其所具有的燃烧效率高、稳定性强、火焰区域温度低和NOx排放量极低等特点,采用数值模拟方法,对LSC燃烧和流动特性以及受喷射器多孔板阻塞比的影响进行初步研究.结果表明:LSC喷射器能够形成典型扩散湍流流动和"扫帚形"低温火焰结构;多孔板阻塞比对LSC喷射器扩散湍流流动分布、中心线上轴向气流速度和湍流强度有很大影响.     

槽缝射流旋流比和密度比对涡轮端壁冷却和吸力面泛冷却性能的影响

针对上游槽缝射流对涡轮端壁冷却性能影响的问题,同时考虑到涡轮端壁的气膜孔射流和叶栅通道间隙泄漏流同样对端壁及叶片吸力面存在冷却效果,采用数值求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)方程和SST k-ω湍流模型的方法,研究了带预旋上游槽缝射流0.4、0.6、0.8和1.0这4种旋流比和1.0、1.5和2.0这3种密度比对端壁冷却及叶片吸力面泛冷却(二次冷却)性能的影响特性。结果表明:密度比较小时,减小旋流比导致端壁冷却效果降低;密度比较大时,端壁冷却效果随旋流比减小先降低后升高,最低值出现在旋流比为0.8。随密度比的增加,冷却射流对端壁的冷却效果不断降低,冷却效率最低值随旋流比的增加向下游移动。随旋流比增大,槽缝射流对叶片吸力面泛冷却覆盖面积逐渐减小,位置向下游及靠近端壁的方向发展,泛冷却效率不断降低。随冷却射流密度比的增加,吸力面泛冷却面积显著减小,且向靠近端壁的方向移动,泛冷却效率降低。     

绕椭圆柱管束的流动与传热特性

椭圆柱管束换热器在工业领域中得到广泛的应用。采用一种简单合理的自由表面模型深入研究了流体绕流椭圆柱管束的流动与传热问题。通过适体坐标转换方法在非规则流道截面上求解出动量与热量传递控制方程,获得了等壁温条件下的流道内的阻力系数和努塞尔数等准则数,并且和文献值进行了对比。文献值和模拟值之间的最大绝对误差小于3.5%,表明所建立的数学模型是正确的。利用所建立的数学模型分析了流动方向、椭圆柱横截面形状、管束结构参数以及壁面边界条件对绕流椭圆柱管束的流动与传热特性的影响。获得了等壁温和等热流密度条件下的阻力系数和平均努塞尔数。这些准则数为椭圆柱管束的设计和优化提供理论指导。     

层流下不同扩张比对后向台阶流动和传热特性的影响（英文）

建立三维数值模型以研究低雷诺数范围内(50≤Re≤250)不同扩张比对后向台阶流动和传热特性的影响.在宽高比恒为16的条件下,改变扩张比分别为1.5,2.0,3.0,通过Fluent计算得到流场和温度场等.结果表明:扩张比为2.0时的数值模拟结果与先前的实验结果吻合的很好.三维后向台阶底面再附着点的分布呈抛物线状分布.当雷诺数Re=200时,随着扩张比的增大,三维后向台阶上壁面两个对称旋涡的尺寸逐渐增大,底面中心线上的Nu峰值逐渐增大,并且再附着点的位置更接近于台阶.与二维数值模拟相比,在同一扩张比下,三维后向台阶底面中心线上的Nu峰值小于二维后向台阶底面Nu的峰值.