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。     

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。     

凹槽状小翼对涡轮动叶叶顶气动和传热性能的影响

针对叶顶间隙的高速泄漏流及复杂的流动问题,采用数值求解三维RANS方程和k-ω湍流模型方法,研究了凹槽状小翼结构对涡轮级动叶叶顶传热特性和气动性能的影响。数值获得的叶顶表面传热系数分布和实验数据吻合良好,验证了数值方法的可靠性。对比分析了叶顶压力侧、叶顶吸力侧和叶顶两侧凹槽状小翼结构与无小翼凹槽状叶顶的气动传热性能,研究结果表明,相比于无小翼凹槽状叶顶结构:叶顶压力侧、吸力侧和两侧凹槽状小翼结构的叶顶表面平均传热系数分别降低了12.2%、17.1%和19.8%,叶顶两侧凹槽状小翼结构最大程度降低了凹槽状叶顶间隙的泄漏流量,减弱了压力侧角涡和刮削涡,进而降低了凹槽状叶顶的传热系数;压力侧、吸力侧和两侧凹槽状小翼结构的动叶总压损失系数分别增加了8.5%、降低了8.5%和降低了2.5%。吸力侧凹槽状小翼结构能有效降低凹槽状叶顶的传热系数,并且减少气动损失,具有最佳的气热性能。     

叶顶形状对动叶顶部流动和传热的影响研究

应用数值方法和标准k-ω湍流模型,研究了燃气轮机轴流透平不同叶顶密封方式对透平动叶顶部间隙内流动与传热的影响.计算叶型采用GE-E3发动机高压透平第一级动叶片,考虑了4种不同的叶顶密封方式.详细分析了不同叶顶密封时叶项的流动结构和传热分布.研究了旋转对动叶顶部流动和传热的影响,并与静止的平面叶栅中获得的结果进行了对比.结果表明:不同叶顶密封方式对叶顶间隙泄漏流场影响很大;双侧肩壁密封具有最好的密封性能,而压力面肩壁密封性能最差;采用吸力面肩壁密封获得了最低的叶顶传热系数,压力面侧肩壁密封的叶顶传热系数则最高;相对于静止叶栅,旋转改变了叶顶泄漏流动结构,增加了叶顶的传热系数.     

喷嘴周向位置和旋流腔拔模斜度对旋流冷却的影响

为了研究喷嘴周向位置及旋流腔拔模斜度对旋流冷却流动和传热特性的影响,探究综合性能更为优良的冷却结构,建立了适用于叶片前缘的旋流冷却模型。在验证了湍流模型的前提下,采用CFD方法对不同模型的流动换热特性进行了对比分析。结果表明:冷气从进口射入旋流腔,形成高速旋转运动;冷气的三维流线沿轴向先径向收缩后径向扩张。喷嘴周向位置改变时,高速旋流区和低速旋流区的相对位置改变,并且高Nu区域的周向位置改变。对于叶根进气的情况,拔模斜度增大时,高速旋流区面积增加,低速旋流区面积减小,并且压力系数减小;当拔模斜度为正值时,压力系数沿轴向降低;拔模斜度为负值时,压力系数沿轴向升高,高Nu区域面积随着拔模斜度的增加而增加。叶根进气时,以拔模斜度为-1°时为参考值,拔模斜度增大至1°时,换热强度提高了9.1%,靶面传热量增加了8.4%,摩擦因数减小了4.1%,综合换热因数提升了8.8%。本文研究分析了不同几何参数下的旋流冷却流动和换热特性,以期为实际叶片前缘冷却结构的设计提供一定的理论参考。     

进口端壁不重合对跨音速透平叶栅端壁流动和传热特性影响的研究

为了评估燃气轮机燃烧室出口与透平第一级喷嘴导向叶栅端壁不重合对叶栅端壁热负荷分布和运行寿命的影响,采用商用 CFD 软件 ANSYS FLUENT 数值研究了进口端壁不重合度（进口后向台阶结构）对跨声速叶栅端壁流动和传热特性的影响规律。计算了进口湍流强度 Tu1 = 16%、出口马赫数 Ma2 = 0.85 时,2 种进口后向台阶高度（0 mm, 6.78 mm）下,跨音速叶栅端壁传热系数,并与实验结果进行了比较,验证了所提基于 RSM（Reynolds stress model）湍流模型数值方法的准确性。分析了 6 种进口后台阶高度（0 mm、1.5 mm、3 mm、5 mm、6.78 mm、10 mm）下的跨音速叶栅端壁热负荷分布、近端壁二次流结构、后台阶涡系发展和气动损失。研究结果表明：由于进口台阶结构的影响,在叶片前缘上游区域形成了显著的再附着涡、空腔涡和辅助涡等复杂的后台阶流涡系;后台阶流再附着涡系使叶片前缘上游区域形成显著的高传热区;随着进口台阶高度的增大,该高传热区控制面积和传热系数均逐渐增大,最大传热系数增大了 90%~160%,高传热区的位置逐渐向下游移动,形状逐渐由节距方向的“条形”演变为“C”字形,两端向叶栅通道内部迁移;进口台阶结构导致叶栅通道总压损失系数增大了 0.17%~0.45%,台阶高度为 3 mm 时,总压损失系数最大。     

进口端壁不重合对跨声速透平叶栅端壁流动和传热特性影响的研究

为了评估燃气轮机燃烧室出口与透平第一级喷嘴导向叶栅端壁不重合对叶栅端壁热负荷分布和运行寿命的影响,采用商用CFD软件ANSYS FLUENT数值研究了进口端壁不重合度(进口后向台阶结构)对跨声速叶栅端壁流动和传热特性的影响规律。计算了进口湍流强度Tu1=16%、出口马赫数Ma2=0.85时,2种进口后向台阶高度(0、6.78mm)下,跨声速叶栅端壁传热系数,并与实验结果进行了比较,验证了所提基于RSM(Reynolds stress model)湍流模型数值方法的准确性。分析了6种进口后台阶高度(0、1.5、3、5、6.78、10mm)下的跨声速叶栅端壁热负荷分布、近端壁二次流结构、后台阶涡系发展和气动损失。研究结果表明:由于进口台阶结构的影响,在叶片前缘上游区域形成了显著的再附着涡、空腔涡和辅助涡等复杂的后台阶流涡系;后台阶流再附着涡系使叶片前缘上游区域形成显著的高传热区;随着进口台阶高度的增大,该高传热区控制面积和传热系数均逐渐增大,最大传热系数增大了90%～160%,高传热区的位置逐渐向下游移动,形状逐渐由节距方向的"条形"演变为"C"字形,两端向叶栅通道内部迁移;进口台阶结构导致叶栅通道总压损失系数增大了0.17%～0.45%,台阶高度为3mm时,总压损失系数最大。     

进气扇区调整对双向进气再入式涡轮性能的影响

为探究结构调整对双向进气再入式涡轮内部流动和总体性能的影响,对再入式涡轮两个进气扇区的周向相对位置和第二级进气扇区内部静叶的安装角进行调整.通过三维数值计算方法,对调整后的各方案进行数值研究和分析.结果表明:随着两个进气扇区周向相对位置的增加,再入管道周向尺寸随之增加,燃气流经再入管道的总压损失增大,总静效率最多减小0.41%.第二级进气扇区静叶安装角的调整显著改善了动叶流道的流动状态,第二级进气扇区静叶安装角增加6°时,再入涡轮总静效率较原型提升了1.03%.     

倾扭叶片在热电联产级组中的应用

采用了倾扭复合成型的设计方案，对国产热电机组CC25的低压末两级进行了优化设计。首先以准三维通流计算为基准，对进出口的几何参数进行了调整，兼顾了设计工况和变工况下的气动性能要求，提高了级组的总体运行效率。叶型型线设计采用三次B样条控制成型、径向叠加的方法，按照进出口汽流角的变化规律进行径向扭曲，最终获得三维扭叶片。进一步对静叶片进行斜置，提高了级的流动性能。结果表明：采用合理的静、动叶匹配可有效地减少攻角损失；对静叶进行合理的斜置和扭曲，对动叶采用合理的扭曲规律，可控制反动度的分布，有效减少根部／顶部的次流损失以及减弱流动分离，减少余速损失，改型后CC25机组低压末两级的内效率提高了6．6％。     

设计工况下非轴对称端壁造型方法对涡轮动叶性能的影响

为揭示非轴对称端壁控制涡轮动叶二次流的物理机制,采用三角函数造型方法,对设计工况下某一燃气涡轮的第一级动叶进行数值研究.结果表明,只有在合适的非轴对称端壁半径扰动量下,才能获得较好的气动收益;扰动半径在5%～10%叶高内,性能会有所提升.相对于造型幅值,气动性能对造型几何位置更为敏感.本文采用的三角函数造型法主要通过合理降低横向压力梯度,推迟通道涡发展,从而减弱通道涡强度和维度,进而降低流动损失.     

缩放管内插旋流片的自然对流换热实验与数值模拟

以水为介质,对垂直放置的急扩加速流缩放管(CD)等间距内插旋流片的自然对流换热进行了实验研究和数值模拟,通过实验研究得到不同内插旋流片个数时自然对流换热系数的变化,并将实验值与光滑管的作比较,同时运用Fluent模拟得到了管内的速度分布、温度分布、传热系数和热通量沿轴向的变化.结果表明,随着旋流片个数的增加,传热系数明显增大,但旋流片个数达到7后传热系数不再明显增大,且两种类型的旋流片均有同样效果.数值模拟还表明,插入的旋流片个数越多阻力越大,其中等间距内插7个旋流片的效果最优.文中还对缩放管与旋流片对自然对流的两区协同强化传热机理进行了初步分析,通过模拟得到强化传热的原因在于壁面切向速度的提高,同时还给出了截面平均切向速度沿轴向的变化规律.     

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。     

采用样条曲面非轴对称端壁成型的高压涡轮动叶气动优化

为了提升高负荷涡轮级的气动效率,发展了基于样条曲面的非轴对称端壁造型方法。以该参数化造型方法为基础,结合高效智能优化算法和经过校核的数值仿真方法,建立了涡轮非轴对称端壁设计优化平台,并以某小展弦比高压涡轮级为研究对象,以效率为优化目标,以流量为约束条件,在级环境和发动机工况下开展了非轴对称端壁优化设计。结果表明：优化设计后的涡轮动叶相对于参考设计,涡轮级的总总效率提升0.26%;非轴对称端壁造型改变了动叶下端壁附近的压力分布,动叶吸力面侧压力系数相对于参考设计显著提升,这降低了动叶叶片通道内的横向压力梯度,抑制了通道中的二次流动;非轴对称端壁造型改变了叶片通道中的涡系结构,相对于参考设计,非轴对称端壁造型使得马蹄涡压力面分支在叶片通道内部沿着叶片压力面迁移,在靠近通道出口的位置才汇入通道涡,这削弱了通道涡的强度,进而降低了气动损失,提高了涡轮级效率。     

前缘倒角造型对叶片端区气热性能影响的研究

采用数值计算方法研究了前缘倒角造型动叶的端区气热性能,分析了3种前缘形式(无倒角、直线型倒角、抛物线型倒角)的叶片端区的二次流结构、气动损失和传热特性,对比了有、无前缘倒角时马蹄涡和通道涡对端区流动传热性能的影响机制。结果表明:前缘倒角造型显著减小了端壁前缘区域的切应力、通道下游偏转角和前缘倒角角区的马蹄涡尺寸和强度,但对通道涡的抑制作用较小;前缘倒角削弱了端区横向二次流动,使得通道下游总压损失减小;抛物线型前缘倒角的角区湍动能和马蹄涡尺寸略小于直线型前缘倒角造型的相应参数;3种前缘倒角造型叶片通道下游端壁的平均Nu沿流向均逐渐增大;相对于无前缘倒角造型叶片,带前缘倒角造型叶片的端壁前缘区域节距方向平均Nu最高下降了约40%。,但通道下游端壁节距方向平均Nu仅下降约8%;在通道下游,抛物线型前缘倒角叶片端壁节距方向平均Nu略低于直线型前缘倒角叶片。     

高负荷低展弦比涡轮流动机理

为满足固体推进剂涡轮火箭发动机高负荷、高效率、低展弦比涡轮设计要求,对发动机涡轮进行初步设计.采用哈尔滨工业大学编制的叶型编辑程序,设计单级膨胀近似为4的涡轮动静叶叶型,采用NUMECA软件对所设计的涡轮动静叶流场进行数值计算.结果表明:高膨胀比涡轮动静叶整个流道内均出现超音速流动,采用缩放通道可减小激波损失;静叶出口马赫数较高,产生的尾缘激波与相邻叶栅吸力面相交,使吸力面马赫数波动,产生逆压梯度,增大了流动损失;在动叶中,端壁附面层内二次流沿壁面汇聚到吸力面中部,使吸力面中部损失增大.     

车用增压器径流式涡轮转静干涉效应研究

为研究增压器径流式涡轮内部转静干涉效应对涡轮内部流动损失、涡轮工作效率和工作性能的影响,借助逆向建模的方法建立径流式涡轮三维模型,运用非线性谐波法并结合增压器变工况的实际运行特性对涡轮增压器径流式涡轮内部转静干涉效应进行研究。结果表明,径流式涡轮内部转静干涉效应的主导因素是尾迹干扰,喷嘴环流道的后半弦长位置及整个涡轮叶轮流道是主要形成区域,形成机理是涡轮叶排的势流干扰受到主流流动的阻滞而造成迁移的距离有限,而尾迹能够随着主流的流动向下游输运。转静干涉作用的影响因素是转静叶间距离,合理增大径隙比结构参数可以改善涡轮内部的气动特性。叶顶间隙涡与上游尾迹相互作用以及尾迹与通道涡等涡系的强烈掺混是涡轮叶轮流道内呈现非定常流动的主要因素。合理减小涡轮叶顶间隙比能够降低涡轮内部流动损失。     

冷/热端散热对半导体冷藏箱性能的影响

研究了水冷式半导体冷藏箱冷端和热端传热对冷藏箱性能的影响.通过试验及计算,分析了冷藏箱性能与冷端风扇电压及热端冷却水温度的关系.冷端传热强化后,冷藏箱的耗电量几乎不变,制冷量和制冷系数增加,制冷温度及热端、冷端温度差降低,制冷性能上升.热端冷却水温度降低,耗电量、制冷量及制冷系数增加,制冷温度降低,半导体的热端、冷端温度差减小,运行性能提高.研究结果可为通过改善半导体冷端和热端传热提高半导体冷藏箱的性能提供试验和理论依据.     

冷/热端散热对半导体冷藏箱性能的影响

研究了水冷式半导体冷藏箱冷端和热端传热对冷藏箱性能的影响.通过试验及计算,分析了冷藏箱性能与冷端风扇电压及热端冷却水温度的关系.冷端传热强化后,冷藏箱的耗电量几乎不变,制冷量和制冷系数增加,制冷温度及热端、冷端温度差降低,制冷性能上升.热端冷却水温度降低,耗电量、制冷量及制冷系数增加,制冷温度降低,半导体的热端、冷端温度差减小,运行性能提高.研究结果可为通过改善半导体冷端和热端传热提高半导体冷藏箱的性能提供试验和理论依据.     

弯叶片对超声速流动的影响

针对弯叶片可以减少激波损失且作用机理不明的问题,对工业汽轮机中跨声速、超声速流动条件下弯叶栅进行了数值研究,分析了弯叶片对流场结构的影响,并为此设计了叶片弯角分别为0°、±5°、±10°、±15°、±20°、±25°的11种正、反弯角静叶方案,弯叶片弯高为50%展向,叶根与叶顶弯角相同。研究结果表明:弯叶片改变了激波结构,这一作用在不同的超声速条件下是相同的;在压比较大、流量较小的条件下,工业汽轮机采用超声速设计是可行的。弯叶片在超声速条件下可以降低叶栅损失,且存在最优值;相对于亚声速流动,超声速动叶吸力面上的损失减小;11种方案下静叶片正弯设计对动叶压力面影响较小,静叶片反弯设计对动叶压力面与吸力面均有较大影响。该结果可为工业汽轮机超声速设计、研究提供参考。     

管式换热器传热系数的研究

研究影响传热系数的因素,包括换热器几何结构和列管换热器的不同管程流动分布的影响,以便在设计过程中合理调整结构参数,使换热器提高传热性能.通过对换热器结构、流动状态、管程流动分布变化的实验,处理并分析实验数据,得出在套管换热器内,插入强化丝不仅可以增加空气侧对流传热系数,而且对蒸汽侧对流传热系数也有提高作用,空气流速越快,效果越明显;列管换热器中,单管流动总传热系数最大,随着流通管数的增加,流速降低,传热系数降低.插入强化丝导致流动阻力增大、速率减小、边界层变厚、热阻增加、强化效果不理想.