基于压敏漆的带横槽气膜冷却实验与数值研究

为改善燃气轮机高温透平叶片的设计,使用压力敏感漆实验技术和数值方法对平板气膜冷却进行对比研究,分析了0°、45°和90°复合角时,有无横槽结构对圆孔气膜冷却的影响。结果表明有复合角时横槽结构能显著提高气膜冷却效率,因为横槽壁对射流形成阻碍作用,在横槽内形成侧向涡,加强了由复合角引起的射流侧向动量。     

斜孔气膜冷却数值模拟分析

本文通过数值模拟分析圆柱孔和扩散孔的单斜孔气膜冷却特性,考察复合角、孔型和吹风比对流场和气膜冷却效果的影响。结果表明,复合角的引入使气膜侧向分布更宽,但冷却效果沿主流方向衰减更快。适中吹风比得到的气膜能更有效的保护壁面。在相同吹风比和复合角条件下,扩散孔的气膜冷却效率比圆柱孔更好,且冷却更为均匀持久。     

不同复合角对平板气膜冷却特性影响的实验研究

本文对不同复合角的典型单排孔冷却结构的平板气膜冷却特性进行了实验研究,研究对象为α为30°,β分别为30°、45°、60°的射流孔板,对它们在不同吹风比条件下的绝热气膜冷却效率分布特性进行了分析.实验结果表明,所有复合角条件下的冷却性能都优于相同条件下的简单角; M=0.5、β=60°时的冷却性能明显优于其他两个复合角;M=1.0时.三者的下游横向平均冷却效率相差不大; M=1.5、β=30°时的冷却性能最优.     

各向异性复合材料平板气膜冷却试验研究

针对导热系数各向异性的长纤维增韧复合材料平板,开展了气膜冷却效果的试验研究,详细分析了复合材料各向异性导热系数主方向同气膜出流角之间的偏角对气膜覆盖壁面冷却效果的影响.研究中发现,不同的偏角工况下,由于材料内部不同方向上导热能力的差异,气膜冷却的综合效果发生了较明显的改变.试验结果表明流向偏角α的增加,使得气膜覆盖壁面的平均综合冷却效率和温度分布均匀性均得到提升;展向偏角β对气膜覆盖壁面的平均综合冷却效率影响不大,但是β增加时,壁面温度分布的均匀性得到一定程度的改善。     

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。     

开槽冷却孔结构的耦合传热特性的研究

本文通过数值模拟方法研究了开槽气膜孔的冷却特性和流场分布,通过考虑固体材料的导热影响,耦合分析壁面的热流量,通过对平板结构气膜孔下游的绝热气膜冷却效率的研究,最终提出最佳的流速比。数值模拟结果表明,流速比0.5的工况可以提供较为均匀和稳定的冷却效果和最佳的壁面绝热冷却效率,同时,相比于壁面的气膜冷却效果,材料导热性能对壁面冷却效果起着主导作用。     

超声速气膜冷却中激波抑制的研究

针对激波破坏超声速气膜冷却的机理,本文提出了一种壁面开孔的结构,数值研究结果表明：一方面,壁面开孔的结构能使激波作用的区域壁面附近的压力分布较均匀,从而使近壁区的马赫数分布比不开孔的壁面要高,有利于超声速气膜冷却。同时在激波的作用下,冷却气体可以通过开孔壁面的孔进入槽道内,而在槽内的下游再从孔里流出,保护下游的壁面,这...     

冷却结构参数对气膜/冲击复合结构冷却性能的影响研究

采用气热耦合数值计算方法,研究了带有气膜/冲击复合冷却平板结构的冷却性能,分析了三种气膜孔结构(单排圆柱孔、双排圆柱孔和单排扇形孔)、不同冲击孔径、冲击距离对综合冷却效率、冲击壁面换热特性以及气膜流场结构的影响。计算结果表明,内部冲击冷却对综合冷却效率的影响程度因外部气膜冷却结构不同而不同;冲击孔径不同不仅会影响内部冲击冷却效果,同时也对外部气膜冷却的流场结构和冷却效率有所影响。     

横流下前向与反向复合角沟槽孔气膜冷却效率

利用红外热像技术实验分析了横流比(Cr=0.08,0.16)和吹风比(BR=0.5,1.0,2.0)对横向沟槽内反向和前向复合角气膜孔的气膜覆盖特性的影响。数据对比指出:沟槽、复合角度和反向冷气出流对于前向简单孔所发生的射流分离现象存在明显的抑制作用,有利于提高气膜覆盖。复合角度在大腔进气(Cr=0)时会引起冷却效率偏转,而横流进气可以有效抑制冷却效率的偏转,使得气膜在横流方向分布更加均匀。在相同横流比时,小吹风比导致反向孔的整体气膜覆盖优于前向孔,大吹风比下情况相反。小横流比时,120°沟槽孔在各吹风比呈现出最好的气膜覆盖,较简单角孔而言,效率提高约42%;大横流比时,60°沟槽孔在各吹风比呈现出最好的气膜覆盖,效率提高约26%。     

涡轮动叶吸力侧单排气膜孔冷却性能研究

本文通过数值模拟的方法,针对涡轮叶片吸力侧的单排气膜孔,研究了无量纲气膜孔出流位置、气膜孔复合角度和冷却空气质量流量占比对其气膜冷却效率与气动掺混损失的影响。结果表明,对于近前缘气膜孔,0.5%的冷却空气质量流量可以在保证较好的气动效率的同时在下游附近提供较高的绝热气膜冷却效率;对于中后部气膜孔,90°的气膜孔导致的掺混损失比相同冷气量的近前缘气膜孔高出一倍,此时复合角为60°的气膜孔有更好的气膜冷却效果。对比不同的孔排位置,位于流向位置0.3的气膜孔可以在下游较大区域取得良好的冷却效果,而且不引起过大的掺混损失。     

气膜孔角度对动叶前缘冲击/气膜复合冷却的影响

本文针对GE-E3第一级动叶前缘的冲击/气膜复合冷却结构进行了热流耦合数值研究。采用标准k-ω湍流模型,分析了前缘气膜孔对称布置时,其角度对透平动叶前缘冲击/气膜复合冷却特性的影响;在五种冷气质量流量比(MFR=0.005,0.010,0.016,0.020,0.025)下,研究了气膜孔在不同角度(β=20°,25°,30°,40°,50°,60°)时的透平动叶前缘冷却换热效果。研究结果表明:在本文研究范围内,气膜孔角度越小,透平动叶前缘的平均综合冷却效率越高;随着冷气质量流量比增大,透平动叶前缘的平均综合冷却效率逐渐提高。     

涡轮叶顶冷却布置对叶顶传热冷却性能的影响

本文采用数值模拟的方法,对比分析了1+1/2对转涡轮四种不同的叶顶冷却布置方案对叶顶传热、冷却性能以及气动特性的影响。四种布置方案分别是:靠近压力面垂直叶顶方向、靠近压力面且与叶顶有30°出射角、中弧线位置垂直叶顶方向、中弧线位置有30°出射角。研究表明,气膜孔沿压力面布置与气膜孔沿中弧线布置相比可以降低叶顶传热系数;由于气膜孔倾斜布置气膜射流动量降低,且削弱了肾形涡的影响,气膜的侧向覆盖范围增大。因此气膜孔靠近压力面布置可以提高气膜冷却效率;气膜孔靠近压力面且有30°出射角比垂直布置叶顶热负荷减少2.7%。另外,气膜孔靠近压力面布置可以降低主流的泄漏流量,有利于减小泄漏损失和提高涡轮效率。     

出流角对旋转涡轮叶片前缘气膜冷却影响

基于频闪拍照和稳态液晶测温技术,实验研究了不同气膜孔出流角对旋转态整级涡轮叶片前缘外壁面的气膜冷却特性的影响。实验中,叶片前缘处的主流雷诺数为6.3378×104。实验转速为574 r/min,对应的旋转数为0.0018。平均吹风比从0.5变化到1.25。射流采用N2,其对应的密度比为1.04。结果表明:展向平均气膜冷效是随吹风比的增加而单调增加的,其中最佳吹风比为M=1.25。对于所有吹风比,在-4.3相似文献   

基于多精度代理模型的高效异型气膜孔设计优化和实验验证

为了提升燃气轮机热端部件表面的气膜冷却效果,本文发展了一套基于多精度代理模型的高效气膜孔优化方法,通过对气膜孔孔型进行优化得到最优的气膜冷却效率。与传统的代理模型优化方法相比,本文构建的多精度代理模型优化方法能有效结合实验数据与高精度数值计算,在保证准确度的同时使优化效率提升64.5%。本文针对业界广泛使用的一种气膜孔进行优化设计,选取后倾角、侧扩角和孔长径比作为三个设计变量,采用遗传算法和序列二次规划混合方法进行优化。并采用3D打印和PSP测量技术对优化孔型进行验证,发现和初始孔型相比优化孔型的面平均气膜冷却效率提升39%。本文的工作证明了多精度代理模型在气膜冷却优化方面的有效性。     

Effect of impingement jet on the full-coverage film cooling system with double layered wall

The present study was conducted to evaluate the total cooling effectiveness in combined full-coverage film cooling and impingement jet using an infrared thermographic technique. The effect of film cooling hole angle, blowing ratio, and height to diameter ratio between the film cooling and impingement jet plates was discussed. The total cooling effectiveness increased as impingement jet cooling was added. The angled film cooling holes had approximately 4.6% higher total cooling effectiveness than the normal film cooling holes. The total cooling effectiveness was almost constant regardless of height to diameter ratio, but enhanced as the blowing ratio was increased.     

Efficient realization of daytime radiative cooling with hollow zigzag SiO_2 metamaterials

A tunable selective emitter with hollow zigzag SiO_2 metamaterials, which are deposited on Si_3 N_4 and Ag film, is proposed and numerically investigated for achieving excellent radiative cooling effects. The average emissivity reaches a high value of 98.7% in the atmospheric window and possesses a high reflectivity of 92.0% in the solar spectrum. To reveal the enhanced absorptivity, the confined electric field distribution is investigated, and it can be well explained by moth eye effects. Moreover, tunable emissivity can also be initiated with different incident angles and it stays above 83% when the incident angle is less than 80°, embodying the excellent cooling performance in the atmospheric transparency window.Its net cooling power achieves 100.6 W·m~(-2), with a temperature drop of 13°, and the cooling behavior can persist in the presence of non-radiative heat exchange conditions. Therefore, high and tunable selective emitters based on our designed structure could provide a new route to realizing high-performance radiative cooling. This work is also of great significance for saving energy and environmental protection.     

耦合传热和冷却流通道流动对气膜冷却的影响

本文通过数值模拟的方法同时考虑了耦合传热和冷却流通道流动对气膜冷却的影响.计算结果表明,在考虑耦合传热的情况下,冷却流通道流动的影响仍然存在,但随着壁面导热系数的增大,这种影响减弱;同时在考虑耦合传热的情况下,受保护壁面温度场分布更加均匀,冷却效果更好.计算结果还表明吹风比为0.5时的冷却效果优于吹风比为1.0的情况.     

无沸腾喷雾冷却技术的研究进展

文中简述了无沸腾喷雾冷却技术近年来国内外的研究进展。着重介绍了关于影响无沸腾区换热各参数的实验研究,如壁面温度、介质体积通量、喷雾流量、喷雾倾角和喷雾高度等,为寻求最佳换热提供了指导。并对无沸腾区的理论研究内容进行了归纳,主要是模拟不同喷雾条件下的换热过程及特性参数(如液膜厚度)的大小和分布,并将理论值与实验数据进行比较分析;总结了影响无沸腾区换热的喷雾特性参数和外部特性。     

周期性压力波动对气膜孔流动特性影响的研究

针对主流周期性压力波动的非稳态气膜冷却现象,分别采用非稳态及准稳态数值模拟进行了计算,通过对比揭示了非稳态气膜冷却现象的特征。结果表明:相对于主流的压力波动,气膜孔出口受到上一个时刻压力的影响,呈现出了波动延迟特性;针对本文所研究的波形特点,压力波动一方面导致压差(二次流与主流压力差值)变化无法快速直接地影响到二次流流动,阻止了倒流的发生,使得二次流流量更加稳定;另一方面,其携带的压力波动效应使得气膜孔出口形成贴壁性较好的环向外旋涡,将喷射出去的二次流重新带回壁面,使得二次流贴敷壁面。对于某一特定的主流波动特性而言,是存在在最佳设计长径比使得气膜孔质量流量特性及防止倒流特性达到最佳。本文研究对于涡轮周期性压力波动作用下的气膜孔气膜冷却研究具有较大的意义。