刷式密封传热特性研究

采用求解Non-Darcian多孔介质模型的完全雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程和能量方程的方法,在考虑刷丝束内部空隙、安装角和转轴旋转效应下,数值研究了刷式密封的几何结构参数,即刷丝束厚度、干涉量,以及刷式密封的运行工况参数,即转速和压差等,对单级刷式密封传热特性的影响规律,刷丝束多孔介质的内部阻力系数是利用Eugrn方程推导并经过实验数据校准确定的.研究结果表明:刷丝束厚度内的温度沿轴向近似均匀分布,刷丝束围栏高度区域内的温度沿径向呈指数迅速下降;随着压差的增大,温度下降更加集中在刷丝束围栏高度区域内;随着热流量增加,最高温度呈指数迅速升高;随着刷丝束厚度增加,泄漏量减少,最高温度升高;随着转速提高和刷丝束与转轴间的干涉量增大,最高温度升高.     

基于多孔介质模型的刷式密封泄漏流动特性研究

采用数值求解基于多孔介质模型的Reynolds-averaged Navier-Stokes方程技术，对刷式密封内泄漏流动特性进行了详细的数值研究．根据刷式密封的泄漏量试验数据，确定了刷丝束多孔介质的渗透率系数．利用所确定的渗透率系数，数值计算和分析了7种压比和5种径向间隙条件下的某轴端刷式密封的泄漏量和泄漏流动形态，并且与迷宫式密封进行了比较．结果表明：在相同的压比下，刷式密封的泄漏量小于迷宫式密封；压比影响刷式密封的泄漏量，但对泄漏流动形态的影响可以忽略；径向间隙不仅影响刷式密封的泄漏量，而且影响泄漏流动形态；在相同的径向间隙下，压比越大则泄漏量越大；在相同的压比条件下，径向间隙越小则泄漏量越小．研究工作可对刷式密封在汽轮机中的应用提供理论依据和技术参考．     

两级刷式密封泄漏特性的实验与数值研究

基于刷式密封的泄漏量实验测试平台和Non-Dareian多孔介质方法的泄漏流动数值模型,详细研究了密封间隙、压比和转速对两级刷式密封泄漏流动特性的影响规律,分析了两级刷式密封的泄漏流动形态以及刷丝束表面的压力分布规律.结果表明:在相同的间隙和转速下,两级刷式密封的泄漏量随着压比的增加而增大;在相同的转速和压比下,两级刷式密封的泄漏量随着间隙的增加而增大;在相同的压比和间隙下,两级刷式密封的泄漏量随着转速的增加而减小.转子高速旋转时产生的离心伸长效应使密封间隙减小,因此数值计算时考虑转子的离心伸长效应对密封间隙的影响可以更加准确地预测两级刷式密封的泄漏量.     

螺旋篦齿-刷式密封泄漏特性实验和数值研究

为探究刷丝束安装位置对螺旋篦齿-刷式密封泄漏流动特性的影响,基于多孔介质模型和计算流体动力学(CFD)技术,数值研究了刷丝束安装在螺旋篦齿上游或下游两种螺旋篦齿-刷式密封在不同压比(1～1.3)和转速(0～10 000r/min)条件下的泄漏流动特性。同时,在压比为1～1.3和转速为0～2 000r/min的条件下,实验测量了刷丝束安装在螺旋篦齿上游的密封泄漏流动特性。在实验工况范围内,数值模拟得到的泄漏量和腔室压力与实验值吻合良好。结果表明:泄漏气流主要经刷丝束与转子间隙流入下游;相比刷丝束安装在下游,刷丝束安装在上游时的泄漏量及其对转速变化的敏感度更小。螺旋篦齿和转子环形台阶沿轴向交错排列,导致周向静压分布不均和下游压力高于上游压力;两种密封转子面静态气流作用力的x轴分量方向相反,y轴分量方向也相反,且相比刷丝束安装在下游,刷丝束安装在上游时静态气流作用力的x轴分量绝对值更大,而y轴分量绝对值更小;静态气流作用力的绝对值随压比升高而显著升高,对转速变化不敏感。     

刷式密封迟滞特性的数值研究

采用非线性接触模型对刷式密封的迟滞特性及其影响因素进行了研究.采用点-面接触、梁-梁相交接触和梁-梁平行接触模拟了刷式密封中刷丝端部与转子表面接触、刷丝与背板边缘接触以及刷丝之间的接触,建立了刷式密封的非线性接触模型,并通过试验研究的刷式密封迟滞特性的数据验证了所建立模型的有效性.研究分析了刷丝径向刚度一定时,刷丝直径、刷丝长度和刷丝角度对刷式密封迟滞特性的影响规律,结果表明,刷丝端部压力计算值与理论值的比值可以更好地评定刷式密封迟滞特性的强弱.当刷丝直径保持不变时,随着刷丝角度的增加和刷丝长度的减小,刷式密封的迟滞特性越来越弱;当刷丝长度一定时,随着刷丝角度和刷丝直径的增加,刷丝的迟滞特性越来越弱;当刷丝角度一定时,不同刷丝直径和刷丝长度的刷式密封表现出相近的迟滞特性;当刷丝径向刚度一定时,刷式密封的迟滞特性强弱主要由刷丝角度决定.     

刷式密封刷丝束与转子接触力的数值研究

采用线性悬臂梁和增强的拉格朗日法建立了单根刷丝与转子的接触力模型,同时考虑了刷式密封中刷丝与转子之间的接触力以及在转子横截面内流体对刷丝的均布力,探讨了刷丝的安装角度、刷丝与转子的干涉量、转子横截面内的流体均布力对刷丝与转子之间接触力的影响特性.研究结果表明:在所计算的参数范围内,刷丝的流体均布力对接触力的影响力远大于刷丝的安装角度和刷丝与转子的干涉量的影响力.当刷丝安装角小于35°时,刷丝与转子的接触力随着刷丝安装角的增大而略微减小;当刷丝安装角大于35°时,受转子横截面内流体对刷丝的均布力的影响,刷丝与转子的接触力随刷丝安装角的增加而增大.     

偏摆角对圆周密封结构特性及泄漏的影响

根据偏摆角圆周密封分析,建立受力模型和有限元分析模型.通过结构分析与热-结构耦合分析,得到了不同偏摆角下主、辅助密封面应力和变形分布规律及泄漏间隙和泄漏量变化规律.主、辅助密封面应力和变形分布均匀,最大应力和最大变形位于凸舌处,主密封面最大变形大于辅助密封面,最大应力和最大变形随偏摆角增加而增大.热-结构耦合分析应力和变形与结构分析分布规律基本一致,但均大于结构分析.主密封面间隙从轴承腔向气腔增大,辅助密封面间隙从中心向两端增大,接头处间隙最大.泄漏量随偏摆角增加而增大.     

动叶叶顶迷宫刷式密封的透平级气动性能研究

针对透平级叶顶泄漏损失大的问题,提出了将叶顶迷宫密封设计成迷宫刷式密封结构的设计方案,旨在减少叶顶泄漏量和提高气动效率。采用基于非线性多孔介质模型的RANS方程数值方法,研究了实验测量的迷宫刷式密封的泄漏量,数值预测泄漏量与实验测量数据吻合良好,验证了数值方法的可靠性。基于1.5级透平级动叶叶顶迷宫密封结构,将第1个、最后1个迷宫长齿设计成刷丝束的前置、后置迷宫刷式密封结构,对比分析了迷宫刷式密封刷丝束间隙为0～0.4 mm时,1.5级透平级的叶顶间隙泄漏量和气动效率。研究结果表明:前置、后置叶顶迷宫刷式密封在减少泄漏量和提高透平级气动效率方面相似;与叶顶迷宫密封相比,叶顶迷宫刷式密封在刷丝束间隙为0.4 mm时泄漏量减少了18%,透平级效率提高了0.6%;叶顶密封间隙损失主要包括腔室耗散和出口腔室黏性损失;相比于叶顶迷宫密封,叶顶迷宫刷式密封减小了气流相对偏转角,导致密封出口泄漏流与动叶出口主流掺混损失减少;叶顶迷宫刷式密封通过减少出口腔室黏性损失从而提高透平级气动效率。     

迷宫密封泄漏特性影响因素的研究

采用标准k-ε紊流模型和三维RANS方程求解方法,数值研究了密封间隙、压比、转速对典型迷宫密封泄漏特性的影响规律.计算分析了典型迷宫密封在3种密封间隙、4种压比和4种转速下的泄漏特性.研究结果表明:用相对流量系数(转动时的流量系数与静止时的流量系数的比值)与速比(周向速度与轴向通流速度的比值)的函数关系表征泄漏量随转速变化的规律时,存在一个临界速比约等于1.0;低于这个临界速比时,转速对泄漏量的影响不明显;高于这个临界速比时,泄漏量随转速的增大而减小,在很高的转速下(6 000 r/min以上),泄漏量至少减小了5.1%;相同间隙下,泄漏系数随着压比的提高而近似线性增加;相同转速下,随着密封间隙的减小,相对泄漏量逐渐降低.     

孔型几何参数对孔型密封泄漏和鼓风加热特性影响研究

为明确孔型密封设计中关键几何参数孔深、孔径的选取准则,提出了基于动网格技术和节点位移扩散方程、孔型密封孔深连续变化时三维计算网格的生成方法以及基于三维定常Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)方程的孔型密封泄漏量和鼓风加热功率的数值计算方法。研究了孔型几何参数孔深、孔径对孔型密封泄漏特性、鼓风加热特性的影响规律,计算分析了7种孔径D=2,3.175,5,7,9,11,14mm、孔深H在0.5～15mm范围连续变化时孔型密封的泄漏量、鼓风加热功率和孔腔流场结构,并与实验结果进行了对比。结果表明:本文提出的网格生成和数值计算方法能够可靠预测孔型密封的泄漏特性,且具有计算速度快、工作量小的优点;孔型密封泄漏量在深径比AR在0.15～0.25范围内取得最小值,在0.7～0.9范围内取得最大值;鼓风加热功率随孔径的增大而增大,随孔深的增大而减小;孔型密封设计中在孔径为2～5mm范围内选取较小的孔径,在深径比为0.2～0.5范围内选取较大的孔深。     

迷宫密封传热特性的数值研究

采用包含固体域和流体域的耦合传热数值求解方法,研究了典型燃气轮机迷宫密封的传热特性,并与实验值进行了对比.通过计算得到了2种间隙下13齿迷宫密封转子面和静子面附近的努力塞尔数Nu分布,计算值与实验值吻合良好.研究结果表明:在所考核的涡黏湍流模型中,由k-ω和SST湍流模型计算得到的Nu与实验值吻合良好,标准k-ε湍流模型和k-εRNG湍流模型计算得到的Nu比实验值约高70%;对于直通型光滑面迷宫密封,在静子面上,第1齿前区域的Nu沿轴向逐渐增大,齿后区域的Nu在某一值上下波动;在转子面上,腔室区域的Nu沿轴向逐渐增大,齿尖区域的Nu有较大突跳.静子面上Re对迷宫密封平均Nu的影响大于转子面;随Re的增加,静子和转子固体域的温度梯度逐渐增大,但Nu分布曲线的形状基本不变.     

铁镍泡沫填充板式换热器传热特性数值模拟

利用开孔泡沫金属比表面积大、基体金属材料导热系数大和其复杂的三维立体网状结构能提高流体非线性效果的特点,研制了一种新型紧凑式镍铁泡沫填充板式换热器。并用CFD商用有限元软件FLUENT对空气-空气在该换热器中的传热特性进行数值模拟。在相同的操作条件下,模拟结果与实验结果吻合较好。研究结果表明:在板式换热器中填充开孔铁镍泡沫材料,冷热空气在换热器中的湍流程度有所增强,板式换热器的传热效率明显提高。铁镍泡沫填充物会使冷热空气流经换热器时的阻力增加,但由此所产生的压力损失对换热器综合性能影响不大。填充相同孔隙率的泡沫材料,孔密度的改变对传热效率影响较小。研究结果可为换热设备结构优化和设计制造轻型紧凑的高效换热设备提供参考。     

支撑板对蒸汽发生器流动与传热特性的影响

根据相似模化理论,建立了耦合四叶梅花形支撑板的蒸汽发生器单元管三维物理模型,采用流-固传热方法和热力学相变模型,并基于二回路流体进口质量流量按4∶1分配给热、冷端的边界条件进行了支撑板对蒸汽发生器流动与传热特性的影响的数值研究.模拟结果表明:二回路热、冷端侧沸腾规律分布均匀,计算得到的出口含汽率与大亚湾核电站蒸汽发生器实际运行参数相符;支撑板流通截面的缩减,促使二回路侧流体流速、表面传热系数及含汽率在支撑板区域急剧升高又快速降低,同时二回路流体在支撑板上部出现回流现象,增加了支撑板区域杂质沉积及应力腐蚀的可能.该数值模拟方法可为蒸汽发生器支撑板结构优化设计提供技术支持.     

热源塔结构特性对其换热性能的实验与分析

利用搭建的开式热源塔实验平台进行实验,从塔身设置和进口参数两方面对热源塔换热性能进行分析。塔身设置包括：喷嘴位置、进风口位置及有无填料层。进口参数包括：室外空气温度、溶液进口温度及截面风速。实验结果证明热源塔下进风时的吸热效率优于上进风,其中无填料上喷下进风式换热性能最优;填料层可以促进气液之间的热质交换,但进风阻力变大,热源塔能耗比降低。对于进口运行参数,在下进风工况下,当风速增大时,热源塔的吸热效率均得到提升,但风速过大,吸热效率仅有微小提高,且塔身能耗比下降较快;溶液进口温度升高,热源塔的吸热效率提高幅度在30.1%~34.6%之间,进出口溶液温差降低了0.9 ℃~1.2 ℃;室外空气温度升高热源塔的进出口溶液温差明显增大,但吸热效率降低。     

三种大管径翅管式换热器传热与阻力特性的试验研究

为考察不同翅片形式以及管排数对空气侧强化传热的影响，分别对9排和12排带平直、开缝、纵向涡3种翅片形式共6个翅片管换热器元件空气侧的传热及阻力性能进行了试验研究，发现开缝翅片管换热器的传热性能高于带纵向涡翅片管换热器和平直翅片管换热器，但阻力相应也增加，带纵向涡发生器的翅片传热性能略低于开缝翅片，但阻力却只比平直翅片稍大，这表明采用这种翅片形式可获得较好的综合性能．不同管排数的同一片型换热器的努塞尔数及阻力因子相差很小，可以认为与管排数无关．在试验的雷诺数范围内针对各个试件整理出了传热和阻力的经验关联式，可为相关的理论研究和工程应用提供参考．     

板式省煤器通道结构对换热特性的影响

通过软件Fluent数值模拟与试验验证,研究全焊式板式省煤器在不同结构参数和烟气流速情况下的传热特性.结果表明,当换热器椭圆水流道长轴为30mm,循环水流道的短长轴比为0.6,板间烟气流道间距控制在15mm,且烟气流速控制在8m·s~(-1)时,全焊式板式省煤器的综合换热系数达到50 W·(m~2·K)~(-1).     

振动平板的传热性能实验

通风热回收技术利用排风处理新风,能够有效解决改善室内空气品质和实现节能的矛盾.为此,实验研究了流体低速错流流过振动平板的传热特性,定量考察了在不同的冷热流体流量和温差下平板振幅、频率对传热的影响.结果表明,换热板的振动能有效改善传热.与平板不振动相比,换热效率随着冷热流体进口温差的增加变化趋于平缓;与频率相比,振幅对传热的影响较大,换热效率最大增加了18.1%.研究成果可为流体诱导振动在建筑中排风余热回收的有效利用提供借鉴.