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。     

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。     

蒸汽冷却厚壁通道传热性能的耦合传热研究

基于厚壁带肋通道蒸汽冷却实验数据,发展了含有内热源项的耦合传热计算方法,研究了雷诺数、热流密度和湍流度对厚壁矩形带肋通道内蒸汽流动及传热特性的影响,同时对比了耦合传热方法和只计算流体域方法之间的差异,并在此基础上对努塞尔数与雷诺数、热流密度和湍流度之间进行数值拟合,得到了厚壁带肋通道的传热关联式。研究结果表明:含有内热源项的耦合传热计算模型可以准确地模拟厚壁带肋通道内蒸汽的流动与传热特性,只计算流体域模型对传热系数的预测较耦合传热模型低10%;热流密度对厚壁带肋通道蒸汽摩擦和传热特性的影响较小,高热流密度使得壁面传热效果变差;雷诺数从10 000~90 000变化时,平均传热系数和综合传热因子分别提高了76%和63%,而湍流度从3%~15%变化时,平均传热系数提高了大约24%,综合传热因子提高了19.8%。该研究可为未来重型燃机叶片冷却结构设计提供参考。     

周期性环肋通道内的流动和换热

用非稳态数学模型对包含入口段的带肋环形通道内的流动和换热进行了数值模拟.在肋片参数Sp/D=0.187 5、Sp/D=1.125,雷诺数在400～800范围内,流动和换热都出现了自维持振荡特性,且入口段后,各几何周期的速度场、无因次过余温度场基本相同,随时间的变化规律也基本相同.肋片高度增加,平均努塞尔数和摩擦阻力系数增加.肋片间距增大,对摩擦阻力系数影响较小,对努塞尔数影响较大.雷诺数增大,努塞尔数增大,阻力系数减小.     

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。     

燃机透平静叶尾缘柱肋通道内的汽雾/空气冷却流动与换热特性数值研究

基于通过提高燃气进口温度来提升燃气轮机热效率和增加出力的思想,采用ANSYS-CFX商用软件对模化的燃气轮机透平静叶尾缘楔形柱肋冷却通道中流动与换热特性进行了数值模拟,对比研究了冷却工质为空气和汽雾/空气时的冷却性能,以及不同的雷诺数和雾滴初始直径下雾滴在流动过程中的分布、努塞尔数、摩擦系数以及热力综合效率的变化情况。研究表明:雾滴初始直径越大、雷诺数越大,雾滴的流动距离越长;相同雷诺数条件下,相对于空气冷却,加入不同初始直径的雾滴可提高通道底面平均努塞尔数,换热效果强化越明显;底面平均努塞尔数的增幅与雷诺数和雾滴初始直径有关,为了达到最佳冷却效果,应考虑雾滴蒸发吸热和扰流两方面的影响;在冷却空气中加入雾滴后流动摩擦系数变化较小,综合考虑换热性能与流动阻力,加入汽雾可使热力综合效率最高提高26%。该结果可为燃机设计提供参考。     

凹坑-树状分叉微细通道换热特性的数值研究

通过求解三维雷诺时均N-S方程和SSG雷诺应力模型,数值研究了透平叶片内部树状分叉微细通道中的流动和换热特性,着重分析了壁面凹坑结构对通道强化换热特性的影响。研究表明:在本文研究结构下,通道分叉引起的纵向涡二次流和凹坑引起的分离涡二次流是通道换热得到强化的主要原因。蒸汽和空气在通道中的二次流涡旋流动特性相似,但热物性的差异使得蒸汽的平均努塞尔数比空气的高约48%～67%。在不同的凹坑流向间距下,蒸汽冷却的摩擦系数比均随着雷诺数的增加先减小后增大,努塞尔数比和强化换热因子则均随着雷诺数的增加而减小。当凹坑流向间距为3时,通道中蒸汽冷却的强化换热性能最佳。     

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。     

微针肋阵列通道中水的层流摩擦系数的模拟

在Re数为5～400时,对22组不同几何尺寸及排列的方形叉排微针肋阵列通道中水的层流流动进行了模拟计算.研究了微针肋几何结构对层流流动摩擦系数的影响,简化了通道的几何参数,拟合出包含孔隙率、弯曲度、宽高比和Re数的摩擦系数关联式.与其他实验关联式相比,可以较为准确地预测摩擦系数值.     

空气外掠钢渣颗粒准则关系式及其影响因素

通过空冷固态高温钢渣颗粒实验,由实验数据拟合平均努塞尔数实验关联式。对空冷高温钢渣颗粒进行三维数值模拟,研究不同绕流雷诺数下的准则关系式,分析空气外掠固态钢渣颗粒影响因素。研究得出空气冷却固态钢渣颗粒的实验关联式与数值计算关联式,实验与数值计算之间误差较小,验证了采用SST k-棕模型计算的可靠性。实验结果表明：钢渣颗粒的平均努塞尔数随着绕流雷诺数、粒径和气体流速的增大而增大。在同等条件下,钢渣粒径对平均努塞尔数的影响作用大于气体流速;模拟空冷高温钢渣颗粒时,直径对钢渣颗粒凝固时间的影响作用最大,导热系数的影响作用次之,来流空气温度影响作用最小。     

微柱体对微通道热沉综合性能影响的数值分析

为强化微通道热沉的传热性能,设计一种内置微柱体的微通道热沉,并采用数值方法研究微柱体对微通道热沉内流体流动、传热及综合性能的影响。分析了进口雷诺数、微柱体的错位量对内置微柱体微通道热沉(微柱通道)的压降、热阻和努塞尔数的影响,并与光滑微通道热沉(光滑通道)进行对比。采用热阻与泵功的关系、熵产原则及性能评价准则对微通道热沉的综合性能进行评价。结果表明,微柱通道压降和努塞尔数随雷诺数增大而增大,热阻反而减小;在研究的雷诺数范围内,微柱通道压降比光滑通道的平均高84.3%,热阻平均低27.8%,而努塞尔数平均高54.5%;有错位量的微柱通道热阻比无错位量的平均低8.9%,而努塞尔数平均高12.6%;微柱通道综合性能优于光滑通道,且有错位量的微柱通道更优。     

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。     

带侧向出流孔的梯形通道内部换热特性实验

为深入了解带侧向出流通道内部换热特性,采用热色液晶瞬态测量技术对带侧向出流孔的梯形通道内表面换热进行了测量,重点分析侧流孔孔间距、通道进口雷诺数及侧流比对梯形通道内表面换热特性的影响.实验结果表明:侧流孔孔间距的增大使努塞尔数沿整个面的分布趋于均匀;进口雷诺数的增加会明显加强通道内的换热;随着侧流比的增大,通道沿主流方向同一位置处的换热明显减弱,整个通道内表面的平均努塞尔数亦有所下降.     

转折角对Z形通道印刷电路板式换热器中二氧化碳流动与换热特性的影响

针对超临界二氧化碳气冷堆核电系统中Z形通道印刷电路板式换热器的优化设计，通过数值模拟研究转折角对印刷电路板式换热器中二氧化碳流动和换热特性的影响规律，分别拟合出摩擦因子和努塞尔数的计算关联式，分析传热过程的热阻，并讨论换热器的综合性能。结果表明，摩擦因子和对流换热系数均随转折角的增大呈抛物线规律增长，在转折角小于20 °时增长较慢。导热热阻占总传热热阻的4.16%～16.02%，并随二氧化碳质量流率和转折角的增大而升高，在印刷电路板式换热器的传热计算中，不应被忽略。随着转折角的增加，通道中努塞尔数的增长幅度小于摩擦因子的增长幅度，传递相同热量的泵送功率增大，但所需换热面积减小，换热器的制造成本下降，实际应用中需进一步通过技术经济分析以选取最佳转折角。为了控制通道中流动阻力占进口压力的比例，转折角以不超过20 °为宜。     

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.     

水平旋转圆筒表面对流传热和传质实验

采用微热偶式测温和测湿技术,分别对大直径水平旋转圆筒表面对流传热和传质特性进行了对比实验研究.实验数据验证了在圆筒表面对流传热和传质之间存在着良好的可类比性,即旋转对圆筒表面对流传热边界层温度场分布和局部努塞尔数的影响规律与旋转对传质边界层浓度场分布和局部舍伍得数的影响规律相似,但顺向侧和逆向侧之间存在着明显的差异;旋转对圆筒表面平均传热努塞尔数数和平均传质舍伍得数的影响规律也相似,都存在临界雷诺数.当旋转雷诺数小于或等于临界雷诺数时,平均努塞尔数和平均舍伍得数随旋转雷诺数的变化基本保持不变;当旋转雷诺数大于临界雷诺数时,平均努塞尔数和平均舍伍得数随旋转雷诺数的增大而增大.实验中还发现,由于传热和传质的边界层条件不同,热质交换共存时的临界雷诺数小于纯对流传热时的临界雷诺数.     

高雷诺数下二维长方形截面柱绕流数值模拟

为了研究高雷诺数下长方形截面柱绕流特性,基于Fluent软件对宽高比分别为2,3,4的二维长方形截面柱绕流开展数值模拟,并考虑角部修正对长方形截面柱的绕流特性的影响.采用Realizable k-ε模型结合标准壁面函数求解长方形截面柱的绕流,研究宽高比分别为2,3,4的长方形截面柱在不同风向角α和不同雷诺数的条件下,阻力系数C_D、斯托哈数St的变化规律.研究结果表明:一定雷诺数范围内,方向角为0°时,C_D,St随着雷诺数的增加而增加,随后基本保持不变;在相同雷诺数下,宽高比增大,C_D减小,St增大;在高雷诺数条件下,随着风向角α的增加,C_D出现先减小后增大的现象,而St与之相反.     

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。     

涡轮带肋通道换热实验研究

采用热色液晶瞬态测量技术测量了涡轮动叶完整带肋通道换热系数分布,通道进口雷诺数范围为:6 000—20 000,出口质量流量分配比为:27%、49%、24%,27%、73%、0%,27%、0%、73%。分析了不同出流比和雷诺数对换热的影响。实验得出:在相同出流比的条件下,三个通道的努塞尔数沿流动方向都是减小的,且三个通道的数值都是右侧的大于左侧的值;当雷诺数相同时,三个出流比条件下,不同出流比对第一、第二通道的努塞尔数分布基本没影响,区别主要是第三通道。     

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.