曲面对层板/热障涂层耦合结构冷却特性的影响

先进的双层壁化叶片表面喷涂热障涂层是提升未来航空发动机热效率的关键技术之一。本文利用数值模拟探讨了壁面曲率对涂敷热障涂层的双层层板冷却结构体系中各热防护措施(包括：气膜冷却、内部近壁换热及表面涂层隔热)的影响,并在不同热障涂层厚度和冷/热气流吹风比下,开展了金属表面综合冷却效率(?)和TBC热防护效率(τ)对壁面曲率的敏感性分析。结果表明：曲面对气膜效率和热障涂层热防护作用影响较大,但几乎不会影响内部传热。凸面模型具有最高的气膜效率,而在凹面模型中使用热障涂层会产生最大的?增量。整体来看,凸面具有最高的?和τ,凹面下这两种效率均最低。吹风比增加会显著降低?和τ对曲面的敏感性。热障涂层厚度增加会削弱?对曲面的敏感性,但会增强τ对曲面的敏感性。     

叶片双层冷却单元的修正一维模型

本文针对单排冲击冷却和气膜冷却组成的单元结构进行了三维和一维数值研究。通过三维耦合计算分析了双层冷却单元的金属温度分布特性,提出热流比作为修正参数,并将气膜神经网络预测方法引入一维程序。结果表明,神经网络预测对于近孔区域气膜冷却预测更合理;内冷结构换热面积比较大时内外热流比是一维预测的重要参数;校验后的一维程序对单元冷却结构预测较好。     

叶片双层冷却单元的修正一维模型EI北大核心CSCD

本文针对单排冲击冷却和气膜冷却组成的单元结构进行了三维和一维数值研究。通过三维耦合计算分析了双层冷却单元的金属温度分布特性,提出热流比作为修正参数,并将气膜神经网络预测方法引入一维程序。结果表明,神经网络预测对于近孔区域气膜冷却预测更合理;内冷结构换热面积比较大时内外热流比是一维预测的重要参数;校验后的一维程序对单元冷却结构预测较好。     

带肋气膜冷却平板的数值模拟研究

本文对不带肋和带45°肋气膜冷却平板的三维对流换热与导热耦合传热问题进行了数值模拟。网格划分采用非结构化网格,湍流模型为SSTκ-ε模型,近壁处采用壁面函数法,采用SIMPLEC算法求解速度和压力的耦合。计算获得了不带肋和带45°肋气膜冷却平板的流场分布和平板内外表面的换热系数值。结果表明带45°肋的气膜冷却平板通道流场结构比较复杂,平板表面平均温度较无肋气膜冷却平板表面平均温度下降,而在近气膜孔区域冷、热表面平均换热系数较无肋时增大。     

热障涂层对气膜冷却影响的数值研究

涡轮叶片常采用气膜冷却和热障涂层协同配合的方式以进一步提升其耐温性能。由于热障涂层的低导热特性,不仅阻隔了主流燃气的加热,同时还削弱了气膜冷却,引发了二者间的矛盾。本文围绕着该矛盾问题,基于气膜绝对覆盖面积的概念,提出了对热障涂层涂敷区域进行优化设计的思想,通过涂层对气膜覆盖的避让来进一步强化冷却。构建了五种采用不同冷却措施组合的研究模型,并推导了考虑涂层后的对流换热系数简便等效折算方法。通过数值仿真获得了不同吹风比工况下各模型的壁面(T_W2)温度分布和综合冷却效果(η)变化曲线。评估了采用涂敷区域优化带来的收益：在吹风比为0.8的工况下,可使综合冷效相对优化前最大提升2.13%。     

带热障涂层高温导叶复合冷却数值研究

本文以采用复合冷却方式的重燃一级静叶为研究对象,采用CFX软件求解雷诺时均N-S方程,应用标准K-Epsilon模型,考虑燃烧室不均匀出口温度、工质变物性、端壁冷却等因素,对加涂层静叶进行气热耦合计算,从整体和局部对比分析了热障涂层与其他冷却方式的复合冷却效果。结果表明,采用复合冷却方式,设置0.5 mm热障涂层可降低叶片金属表面温度100~350 K,满足合金使用要求。针对前缘气膜孔上游的小尺度高温热斑,本文指出其形成源于局部存在高温漩涡,通过合理匹配几何与气动参数可将之消除.     

多场耦合下透平冷却高温影响特性

透平进口温度持续提高,使得实验测试条件难以实现全温全压的测量,往往采用降温降压工况。本文采用耦合数值方法,分别针对耦合气膜冷却平板及耦合叶栅模型,分析多场耦合下的高-低温传热特征,探索透平冷却温度水平影响特性及机理。研究表明,综合冷却效率分布受金属、流体物性及内外部冷却多方面综合影响;比较无量纲参数相同的高-低温工况,高温使得有TBC涂层时综合冷效偏高,无TBC涂层时综合冷效偏低;无量纲参数相同的高-低温工况,在平板上综合冷却效率分布规律基本一致,在叶栅表面压力面和前缘较为一致,其余部分相差较多;在一定的温度差距内,高-低温工况结果仍可保持一定的一致性。     

超临界CO_2在内螺纹管内换热特性研究

建立了外径为3 mm的内螺纹管三维实体模型,使用Fluent软件研究了在不同的进口雷诺数和操作压力下超临界二氧化碳在水平内螺纹管内的流动与传热特性。研究表明:不同截面局部换热系数和相同流体局部平均温度下的局部换热系数均随着冷却压力的增大而增大;相同流体局部平均温度下的局部换热系数随着进口雷诺数的增加而增大;不同冷却压力和进口雷诺数下,流体局部平均温度越接近超临界二氧化碳的临界点温度,局部换热系数也就越大。     

气膜和冲击复合冷却结构耦合传热数值研究

本文采用数值方法研究了气膜和冲击复合冷却结构的耦合传热和综合冷效。复合冷却平板模型布置有两个交错气膜孔和若干排冲击孔,气膜孔和冲击孔均采用圆柱孔型。分别研究了吹风比和冷气量分配对综合冷效、流场结构和对流换热特性等的影响规律,结果表明:复合冷却综合冷效明显受到吹风比影响;适当调节冷气量的分配,能够明显提高综合冷效。     

燃机叶片平行肋扰流内冷通道传热特性研究Part2:耦合传热特性

平行肋扰流通道是高温透平叶片常用的冷却结构。本文通过批量(约1000次)的气热耦合数值计算对不同几何结构平行肋扰流冷却通道的流动与耦合传热特性进行研究.对于固定压差通道,存在使固体外壁温度最低的肋片布置形式及对应的最优冷气量,针对某重型燃机动叶设计了不同肋片角度的平行肋扰流冷却通道并进行了气热耦合数值计算,表明60°肋能在最小的冷气量下取得最强的换热,验证了机理研究的结论.     

纳米流体强化冷端传热对热电发电效率的影响

热电发电系统效率除了与热电材料物性相关之外,提高热电器件两端温差也是提升转换效率的重要途径。因而,提高冷端的换热能力,降低冷端温度是提高热电发电系统效率的重要途径。纳米流体作为一种新型换热介质,能够显著地改善液体工质的传热性能,具有均匀、稳定、导热系数高等特点。本文研究了水冷却和纳米流体冷却两种情况下热电发电系统输出特性,发现纳米流体冷却大幅提高了系统的输出功率和转换效率,并研究了流速对热电发电系统输出特性的影响。     

复杂换热条件下离心压气机内部传热特性研究

油雾在离心压气机扩压器壁面上的碳化结焦导致压气机效率急剧下降,离心压气机冷却是减少结焦的有效方法,研究压气机内温度分布及传热特性是压气机冷却结构设计的重要依据。本文基于流-热耦合数值分析方法和实验手段,对强换热条件下离心压气机内温度分布进行了分析和验证,研究了不同工况条件下压气机冷、热端传热特征以及扩压器表面温度分布特性。结果表明,压气机内压缩空气为主要热源,与之接触的壳体具有较高温度,扩压器表面最高温度出现在入口处轮毂侧。流体内近壁面温度梯度较大。扩压盘表面传热系数沿径向显著降低,说明边界层的发展阻碍流固间传热,采取冷却措施将有效降低壳体温度,抑制结焦现象。     

活塞内冷油腔振荡流动与传热的瞬态分析方法

为了分析活塞内冷油腔中机油流动与传热特性,基于相对位移法,提出了一种把内冷油腔看作刚体,采用边界条件随曲轴转角变化的内冷油腔振荡流动与传热的仿真方法。采用该方法建立了内冷油腔振荡流动与传热的计算流体力学模型,计算分析了不同转速下机油流动与传热过程,并与采用其他仿真方法的计算结果进行了对比分析。研究结果表明,在相同发动机转速下,内冷油腔各壁而的瞬时面积平均换热系数有较大的差异,其出现峰谷值的数值与峰谷值对应的曲轴角度都有所差异。在不同的转速下,各壁面的瞬时换热系数呈现出相似的规律,随着发动机转速的增加,瞬时换热系数增加。通过计算分析对比表明,采用本方法减少了计算工作量且具有较高的计算精度。     

高温平板气膜冷却流热耦合数值模拟

本文采用流热耦合的数值计算方法,对某高温平板气膜冷却实验台试验段进行了数值模拟,主要研究内容包括:数值预测热障涂层对超级合金平板的热保护作用、主流加入水蒸气后对气膜冷却效果的影响以及平板内部温度沿板厚方向分布的特点.通过对数值模拟结果的分析发现,热障涂层能够有效地保护超级合金平板表面;主流加入水蒸气后气膜冷却效率会降低.此外,在射流孔附近区域,平板内部温度沿板厚方向的分布是非线性的,越远离射流孔,该温度分布越接近线性.     

带肋横流进气方式下的圆柱形孔气膜冷却特性

采用可进行全表面测量的瞬态液晶传热测量技术,实验研究了带肋横流进气方式下,不同横流雷诺数(Re_c=100000,50000)和吹风比(M=0.5,1,2)对圆柱形孔气膜冷却效率和换热系数比的影响,结果表明:受横流进气方式的影响,气膜冷却效率和换热系数的空间分布都呈现出一定的不对称性;相同吹风比下,横流雷诺数越高,冷却效率越高,而且在大吹风比下,这种影响更为显著;相同横流雷诺数下,换热系数比均随吹风比的增大而增大,气膜冷却效率则是随着吹风比增大先升高后降低;在大吹风比、低横流雷诺数工况下,气膜孔出口和孔间会形成强换热区。     

雾化喷射冷却的机理及模型研究

雾化喷射冷却的换热机理十分复杂,目前其研究还很不成熟。本文从喷射雾滴的特性参数出发,以被冷却表面上形成的喷射液膜为对象,考虑了冷却液体向环境的散热,建立质量、能量守恒方程,得到半经验半解析的雾化喷射换热模型。其中,本文提出真换热系数和显换热系数的概念,认为显换热系数受空间散热影响,而真换热系数只与喷雾动量有关。最后设计了雾化喷射局部换热实验,对模型进行检验,结果表明,该模型能够较好地符合实验所得的换热系数及加热面表面温度沿喷射半径的分布趋势。     

开槽锥形孔对耦合传热特性的影响研究

本文通过数值模拟的方法对不同开槽孔结构对壁面的流场分布和冷却效率进行了研究,综合考虑固体内部导热和壁面表面对流换热的耦合传热特性,研究了开槽锥形孔和开槽圆柱孔对下游壁面冷却效果的影响。结果表明:在流速比V_r=0.5时,开槽锥形孔的冷却气能更好的被压覆在冷却壁面上,且有较大的横向扩展,对整个下游壁面有较好的冷却效果。     

核热推进冷却通道热工特性影响因素研究

固体核燃料与推进剂之间的换热设计是核热推进系统的核心技术.本文建立了核热推进冷却通道的传热模型,通过与公开文献对比,验证了数值仿真方法的准确性与可靠性,并分析了核热推进冷却通道几何参数、质量流量等参数对传热的影响。研究结果显示,工质质量流量增加会引起出口温度降低和入口压力增高;冷却通道直径增加会引起出口温度降低和吐口压力降低;六棱柱流道换热效果优于圆柱通道.     

发散孔横向波纹隔热屏气膜冷却特性研究

针对航空发动机加力燃烧室的冷却,采用横向波纹隔热屏结构和全气膜冷却相结合的高效冷却方式,利用CFD软件,计算分析了吹风比、波长、波幅等结构、气动参数对气膜冷却效率以及热侧换热系数的影响规律。结果表明:随着吹风比的增加,平均绝热冷却效率变大,当吹风比M2.0后,绝热冷效不再随着吹风比的增加而进一步增大,存在最佳吹风比M=2.0;波长和波幅的变化对平均气膜冷却效率的影响很小,但是对对流换热系数有很大的影响,对流换热系数随着波长的增大而降低,随着波幅的增大而升高;此外,对流换热系数随吹风比的增大而升高,在气膜均匀覆盖后趋于定值。     

微细管内超临界二氧化碳冷却换热研究

本文对超临界二氧化碳在微细管内冷却对流换热进行数值模拟研究,分析不同流动方向和管径大小对超临界二氧化碳对流换热的影响,考察管内局部流体温度、管壁温度以及无量纲温度分布的变化。湍流模型采用低雷诺数YS模型。研究表明,在LPV范围比较大的截面,超临界二氧化碳局部换热系数达到最大值,同时管内传热受流动方向和管径的影响均较大。