涡轮叶片吸力面扇形孔气膜冷却效率优化

为了提高气膜冷却效率,采用三维雷诺时均(RANS)和代理优化模型,对涡轮叶片吸力面特定位置的扇形气膜孔结构进行优化;将孔间距与直径比(P/d)和孔厚径比(t/d)分别固定为4.5和2.5,仅将扇形孔的倾角α、侧向扩展角β和前向扩展角γ作为设计变量;选取气膜孔下游流向距离s与气膜孔直径d的比值s/d=12区域内的面积平均气膜绝热冷却效率作为目标函数,通过径向基神经网络(RBFNN)构建代理模型,并采用遗传算法搜索最优设计点,从而获得吹风比M=1.5时的扇形气膜孔优化结构,并结合流场计算结果,对优化前后的扇形孔气膜冷却性能进行分析。研究结果表明:较大的气膜孔倾角和侧向扩展角以及较小的前向扩展角有利于改善气膜冷却性能;与基准参考扇形孔相比,优化结构面积平均绝热气膜冷却效率提高18%。     

带造型凹坑孔的平板气膜冷却特性研究

设计了一种造型凹坑冷却孔结构,采用数值求解雷诺平均Navier-Stokes方程的方法,研究了造型凹坑孔结构对平板气膜冷却性能的影响,并利用已有的实验数据考核了数值方法的有效性。通过计算得到了6种吹风比、3种凹坑深度条件下带造型凹坑孔的平板气膜冷却性能,并与常规圆孔进行了对比。研究结果表明:在考核的7种湍流模型中,Realizable k-ε湍流模型可以较好地模拟平板壁面的冷却性能;造型凹坑孔可以产生一对阻碍肾形涡发展的反向旋涡,降低冷却流体与高温主流的掺混作用,增加冷却流体在周向上的覆盖,从而提高气膜冷却效率;相比于常规圆孔结构,造型凹坑孔可以有效地提高轴向中心线及周向平均气膜冷却效率,在不同吹风比条件下,造型凹坑孔的气膜冷却效率在轴向长度为3倍孔径的区域提高了20%～200%,在3倍到10倍孔径的区域提高了10%～25%;在所研究的3种凹坑深度中,凹坑深度为圆孔直径的0.7倍时平板气膜冷却性能最优。     

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%。     

冲击孔偏置对静叶前缘和吸力面冷却性能的影响

采用流热固耦合方法数值研究了真实叶片材料热物性条件下叶片前缘冲击腔室内冷却射流的流动及换热特性。分析了冲击孔的偏置距离(2.5 mm、5.0 mm、7.5 mm和10.0 mm)及冲击冷气与主流的质量流量比(1.0%、1.5%、2.0%、2.5%和3.0%)对前缘面复合冷却性能、冲击靶面对流换热性能及吸力面气膜冷却性能的影响。研究表明：冲击孔偏置结构会对叶片前缘区域的冷却产生显著的影响,偏置距离较小时会削弱前缘面复合冷却性能及靶面对流换热性能,而偏置距离较大时能同时强化前缘面复合冷却性能及靶面对流换热性能,尤其是对靶面对流换热性能的提高效果非常显著。4个冲击孔偏置结构中,偏置距离最大的结构相较于无偏置结构的靶面平均努塞尔数最多提高了约33.97%;吸力面的气膜冷却性能大体上与冲击孔到吸力面气膜孔的周向距离呈现出负相关性,冲击孔距吸力面气膜孔越远,吸力面的气膜冷却性能越弱;相较于无偏置结构,冲击孔偏近及偏离气膜孔布置时吸力面平均气膜有效度最多分别提高了约5.56%和降低了约10.96%;当冲击冷气的质量流量比较小时,增大冷气的质量流量比能有效提高叶片前缘冷却性能。前缘面平均综合冷却效率、...     

采用代理模型的液力变矩器性能优化设计

为解决液力变矩器性能与叶片形态变量间的复杂映射问题,提高设计效率与精度,提出了采用代理模型取代三维流体计算方法,并结合寻优算法对液力变矩器的性能进行优化设计的方案。首先,在标定基于CFD仿真的液力变矩器性能响应结果前提下,利用正交设计方法,获得液力变矩器性能的大自由度仿真试验数据;然后,分别设计响应面以及神经网络2种代理模型,获取变矩器叶片角变量与其性能的映射关系,比较分析其建模效率和精度;最后,以某型号双涡轮液力变矩器启动变矩比及低速比区最高效率最大化为设计目标,分别通过2种代理模型应用NSGA-Ⅱ算法获取优化方案。仿真结果表明:在同一试验数据下,响应面模型的建模效率较高,神经网络模型的变量设计空间外延性较好;采用神经网络模型优化得到的液力变矩器模型与依照出厂参数设计的液力变矩器模型相比,其启动变矩比及低速比区最高效率分别提高了14.27%和10.24%,与采用响应面模型优化得到的液力变矩器模型相比分别提高了4.36%和1.53%。     

质量流量比对全气膜冷却叶片冷却特性影响的实验研究

采用瞬态液晶技术获得了全气膜冷却涡轮导向叶片全表面的高分辨率气膜冷却效率分布云图。实验在放大模型中完成,叶栅构成为三叶片两通道,叶栅进口雷诺数是1.0?05。叶片前缘有8排扩张型孔,压力面有21排轴向角孔,吸力面有24排轴向角孔。气膜孔排由２个供气腔供气,前腔二次流与主流的质量流量比为4.56%,后腔为4.67%。结果表明：受叶栅通道涡作用,气膜出流在吸力面呈聚敛状,在压力面则呈发散状。在三种质量流量比情况下,叶片平均冷却效率分布大体一致。随质量流量比的提升,叶片平均冷却效率提高,叶片前缘区域,气膜冷却效率提升更加明显。     

造型凹坑孔深度及张角对壁面气膜冷却性能的影响

采用数值方法研究了不同吹风比条件下造型凹坑孔深度及张角对壁面气膜冷却性能的影响,并与常规圆孔进行了对比。研究结果表明:随着凹坑深度的增加,冷却射流沿展向的动量降低,沿周向的动量增大,在壁面的覆盖范围扩展、抬升位置延后,气膜冷却性能得到提升,且提升幅度随吹风比的增加而增大;相比于常规圆孔,最优深度造型凹坑孔(d=2.3D,M=1.5)平均气膜冷却效率在冷却孔下游X/D3区域提高了近500%,在3X/D10区域提高了600%;随着造型凹坑张角的增大,冷却流体在轴向及周向的覆盖范围扩大,附壁性增强,肾形涡的强度及尺度均减小,高温主流与冷却流体的掺混得到抑制,壁面气膜冷却效率明显提高;相比于常规圆孔,张角30°的造型凹坑孔平均气膜冷却效率在3X/D10区域提高了近440%。     

出流孔型对平板气膜冷却影响机理的研究

为了研究不同孔型对平板气膜冷却的影响,针对圆形,扇形,水滴形,收敛缝形四种气膜出流孔型的流动和传热特性进行了数值模拟。研究结果表明,圆形孔、扇形孔和水滴形孔气膜出口下游出现从中心向上抬升的反向旋转涡对,将主流燃气卷吸进来；收敛缝形孔在侧向的扩张型面使得气膜出流在展向的覆盖更为均匀,这有效地阻止了高温气体的侵入；在相同吹风比下,收敛缝形孔在气膜出口附近区域的平均绝热冷却效率则明显要高于其余三种孔,随着吹风比的增大,这种差距越发明显；孔型对对流换热系数增强比的影响区域仅局限在邻近气膜孔出口大约7倍气膜孔径的范围内。      

T形管液压成形自适应径向基函数优化设计

讨论T形管液压成形加载路径代理模型优化的设计.采用径向基函数(RBF)模型,引入自适应优化算法,通过逐步向静态RBF模型样本库中增加样本点的方法,提升最优点附近局部近似计算精度,进而提升全局精度并获得最优解.该方法兼顾了优化效率与计算精度.首先通过数值算例证明此方法应用于全局优化的有效性;然后,以管件与中间冲头接触面积最大为优化目标,以最大减薄率小于对标实验值、成形高度大于对标实验值为约束条件,通过拉丁方试验设计抽取一定数量的样本点并调用实际分析模型构建T形管液压成形加载路径优化自适应RBF模型,开展载荷路径优化设计.结果表明,在最小厚度与成形高度不变的情况下,T形管与中间冲头的接触面积较对标实验值提高了71.912%.     

射流角和质量流量比对涡轮端壁气膜冷却特性的影响

为了提高实际燃机涡轮端壁的气膜冷却效率,对某航空发动机涡轮静叶端壁的气膜冷却特性进行了数值模拟研究。首先采用实验结果对湍流模型进行了校核,并验证了所研究模型的网格无关性,在此基础上研究了端壁离散气膜孔的气膜冷却特性,并采用给定实验端壁热流输入条件计算了整个端壁的换热特性;分析了5种冷气质量流量比(1.4%、2.1%、2.7%、3.1%、3.8%)和5种气膜冷气射流角度(20°、25°、30°、35°、40°)下端壁离散气膜孔的流动特性、气膜冷却特性以及换热特性。计算结果表明:相同射流角(40°)条件下,冷气质量流量比为1.4%时,端壁平均气膜冷却效率达到0.21;继续增大冷气质量流量比会导致气膜脱离端壁表面,使得端壁整体的气膜冷却效率下降;随着冷气质量流量比增加,叶栅通道总压损失增加,强化了气膜孔出口处的气流掺混,增加了换热效率;受到端壁二次流以及原有气膜孔结构的影响,气膜冷气射流角度为20°时冷却效果最佳,在相同质量流量比(1.4%)条件下,端壁平均气膜冷却效率达到0.27;减小射流角度对端壁表面换热强度改变较小。     

离散孔板气膜冷却对流换热系数的计算

通过对几种不同的气膜冷却对流换热系数的计算方法的归纳总结，提出用相对气膜冷却换热系数的方法来计算气膜冷却时的对流换热.在对6种不同开口规律的离散孔平板进行了实验研究的基础上，用热平衡法建立了离散孔板气膜冷却对流换热模型，用最小二乘法拟合了相应的关系式及关系曲线，并分析了来流参数及离散孔板的孔径、开口率等几何参数对气膜冷却对流换热系数的影响.     

叶片气膜孔加工缺陷的DR数字成像自动检测方法

气膜孔作为涡轮叶片中重要的冷却结构之一,对提高航空发动机冷却效率、降低燃烧室温度乃至提升发动机服役寿命等具有重要意义.然而,在实际加工过程中受外界因素干扰极易出现气膜孔未打通、打偏及损伤内壁等内部缺陷.传统检测手段采用单一透照角度的X射线胶片照片法对其内部缺陷进行识别,但存在检测效率低、测量误差大、缺陷漏检误判率高等弊端.为此,提出了一种基于X射线数字成像技术的气膜孔缺陷自动检测方法,通过研究DR数字图像与胶片图像的等效性、透照角度对缺陷识别的影响规律及检测工艺优化、基于深度学习神经网络缺陷自识别等关键技术等,实现对叶片气膜孔加工缺陷的高精度检测与智能识别.     

活塞销座孔表面压力分布规律试验分析

针对活塞销座孔易失效的问题,采用感压胶片测量活塞销座孔的表面压力数据,利用训练集与测试集对数据分别进行拟合、评价和分析压力分布规律,建立了活塞销座孔压力分布研究的新方法.以某活塞为例,分析了其销座孔表面的压力分布规律,通过对采集的数据进行回归,建立了压力分布函数,较好地反映了活塞销座孔的的表面压力分布,为活塞销座孔的设计、优化和有限元分析提供了理论参考.     

吹风比对平板气膜冷却效率影响的数值模拟

 为了揭示吹风比M对气膜冷却效果的影响规律,在M=0.5,1.0,1.5,2.0工况下对平板气膜冷却圆柱孔模型和扩散孔模型进行了流动和传热的数值模拟对比研究。计算时基于控制容积法对三维定常不可压缩N-S方程进行离散,采用SIMPLEC算法,湍流模型选取可实现k-ε着模型,壁面函数采用增强壁面函数,分析比较了壁面温度分布、速度矢量和气膜冷却效率。结果表明,随吹风比增大,射流容易脱离壁面。在孔口附近区域,对圆孔而言吹风比对冷却效率的影响不明显,而对扩散孔冷却效率随吹风比增加而提高。在射流向下游发展过程中,就扩散孔而言较大的吹风比使得射流沿流向的覆盖区域增大;就圆孔而言较大的吹风比射流出现了回流,近下游位置处的冷却效率提高而远下游处的冷却效率降低。由此可见,针对不同的孔型,冷却效率随吹风比的变化规律不尽相同,圆孔的冷却效率不随吹风比单调变化,扩散孔的冷却效率随吹风比的增加而提高。     

等离子体气动激励改善气膜冷却效率的数值研究

为了获得等离子体气动激励改善气膜冷却效率的机理及影响规律,采用数值模拟方法研究了等离子体气动激励电极相对位置x/L分别为0.3、0.4和0.5时不同吹风比下的流动过程和冷却效率的分布情况,并通过与常规气膜孔冷却结构形式进行的对比,以揭示等离子体气动激励改善气膜冷却效率的作用机理。研究表明:等离子体气动激励产生的等离子体流能诱导冷却气流偏转,使冷却气流更好地贴覆壁面,改善了气膜冷却效率;等离子体气动激励电极位置离气膜孔出口距离越近,等离子体流诱导改善气膜冷却效率的作用越好,并且随着吹风比的减小,其作用效果越明显。     

采用自适应最小化置信下限和SMOTE算法的动态代理模型

利用最优拉丁超立方试验进行初始采样，建立基于自适应最小化置信下限和SMOTE算法的动态径向基函数代理模型.将自适应平衡常数引入到最小化置信下限准则中，通过多岛遗传算法对置信下限进行寻优.根据代理模型精度，在最优解处运用SMOTE算法动态地新增样本点，进而更新代理模型，直至收敛.经过数学算例测试后，将该优化策略应用于深潜器耐压舱的优化中，与其他动态代理模型相比，该策略的优化效率和精度显著提高.     

Local heat transfer measurements on a rotating flat blade model with a single film hole

An experimental study was performed to measure the heat transfer coefficient distributions on a flat blade model under rotating oper-ating conditions.A steady-state thermochromic liquid crystal technique was employed to measure the surface temperature,and all the signals from the rotating reference frame were collected by the telemetering instrument via a wireless connection.Both air and CO2 were used as coolant. Results show that the rotational effect has a significant influence on the heat transfer coefficient distributions.The pro-files of hg/ho,which is the ratio of heat transfer coefficient with film cooling to that without film cooling,deflect towards the high-radius locations on both the pressure surface and suction surface as the rotation number(Rt)increases,and the deflective tendency is more evident on the suction surface.The variations in mainstream Reynolds number(ReD)and blowing ratio(M)present different distribu-tions of hg/ho on the pressure and suction surfaces,respectively.Furthermore,the coolant used for CO2 injection is prone to result in lower heat transfer coefficients.     

离散孔波纹板气膜冷却技术

对2 种不同开口规律的离散孔波纹板进行实验研究, 分析了来流气动参数、波纹板的开孔规律等几何参数对冷却效率的影响. 用热平衡法建立了离散孔波纹板气膜冷却对流换热模型, 用最小二乘法拟合了相应的关系式及关系曲线, 并将有关结果与离散孔平板进行对比, 得出了离散孔波纹板, 尤其是在其波峰跟波谷之间开有大孔的离散孔波纹板, 在其波峰跟波谷之间冷却效率较低, 在孔板的尾端冷却效率的增长比离散孔平板明显加快等一些有实用价值的结论.     

入射角度对气膜冷却效果影响的数值研究

采用RNGk-ε湍流模型对相同倾斜入射角不同扇形扩展角的气膜冷却单孔射流流场下游的流动和传热特性进行了详细的数值模拟,对相同吹风比下的冷却效率进行了比较分析。     

气膜孔参数对气动及叶片温度的影响

为了设计一套满足传热及气动要求的涡轮叶片表面气膜孔方案,以某型涡轮第一级导叶为研究对象,对两种气膜冷却结构进行参数化设计。对冷却效果进行数值模拟,研究不同的气膜冷却方式在涡轮中对气动与叶片表面温度分布的影响。将两种冷却方式计算结果进行对比分析,结果表明：在相同边界条件下, 六列气膜孔结构可以减弱冷气射流冲量,减小与主流掺混时的损失,气动效率较四列气膜孔提高0.3%;六列气膜孔可增大冷气覆盖面积,同时有效防止射流穿透附面层进入主流,降低附面层扰动强度,削弱对上游气膜的影响,叶片表面无量纲温度降低了11.68%。