球形和泪滴形凹陷涡发生器传热实验和数值计算

凹陷涡发生器是一种高效的燃气轮机涡轮叶片冷却结构,本文对分别具有球形和泪滴形凹陷涡发生器阵列的表面传热与流动性能开展了实验和数值计算研究。本文分别采用Standardκ-ω,SST和Reliazableκ-ε三种湍流模型计算了凹陷涡发生器表面湍流传热与流阻性能,并与实验结果进行了对比,确定了Standardκ-ω是研究凹陷传热和流动最精确的湍流模型。通过该研究,获得了球形和泪滴形凹陷涡发生器在雷诺数范围8500~60000内的传热及流阻和流动特性。该实验研究表明,与光滑通道内湍流流动相比,球形凹陷传热性能提高约60%,摩擦因子增加约70%;泪滴凹陷传热性能提高约90%,摩擦因子增加一倍左右。泪滴形凹陷表现出更好的传热性能和综合热性能。     

涡轮叶片内冷通道高性能肋流动与传热

涡轮叶片内部冷却通道内壁面布置扰流肋是一种高效的强化传热措施.本文在8500~60000雷诺数范围内,对直肋、斜肋、V肋和W肋开展实验研究,得到了四种肋的换热和流阻特性.实验结果表明:1)W肋具有最高的平均努塞尔数,是光滑通道充分发展流动传热性能的2.2~2.6倍,其次是V肋和直肋,而斜肋的传热性能最低,约是光滑通道的1.7倍;2)W肋表现出最大的流阻性能,是光滑通道的2.5~3.7倍,其次是V肋和直肋,而斜肋流阻最小,约为光滑通道的1.8~2.5倍。W肋具有最优的综合热性能,而直肋的综合热性能最低。另一方面,本研究还通过瞬态液晶热像技术获得了W肋表面详细局部传热分布,实验结果表明W肋中间的顶点迎风区域是强换热区,该区域与气流相互作用,热边界层较薄,有效强化了换热能力。     

凹陷涡发生器非稳态流动与传热分离涡模拟

本文对具有凹陷涡发生器的冷却通道内非稳态湍流流动与传热特性进行了分离涡模拟研究。通道内流动雷诺数为50500,凹陷涡发生器深度与直径比为0.2。分离涡模拟结果与实验数据进行了对比验证,并对凹陷表面非稳态流动与传热特性进行了详细分析。研究结果表明:分离涡模拟得到的凹陷表面时均局部Nμ数分布与瞬态液晶热像实验得到的Nμ数分布相似,并且总体平均Nμ数和摩擦因子与实验数据也较好地吻合;分离涡模拟获得了详细的凹陷涡发生器表面非稳态流动和传热特征,凹陷表面前缘处的低换热区形成左右两个旋涡,经历了形成、旋转、回流、破碎四个过程,这些非稳态的涡流动显著地强化了凹陷表面的对流传热性能。     

涡轮叶片冷却通道高性能微小肋湍流传热的数值研究

为了提高涡轮叶片内冷通道的换热性能,针对分别带有直肋、斜肋、V肋和W肋这四种微小结构肋的冷却通道进行了数值计算并。通道宽高比为6,肋间距与肋高比为10,肋高与水力直径比为0.029。采用低雷诺数AKN k-ε模型研究了雷诺数范围从36700到60000时四种带肋通道的换热与流动特性并与实验结果相比较,发现通道换热性能和压力损失与稳态实验结果较一致。研究表明,W肋换热性能最优,其平均努塞尔数是流动充分发展的光滑通道的2.2到2.4倍,摩擦因子是光滑通道的3.7～4.0倍。其次是V肋、直肋,斜肋最低。分析流场发现直肋下游回流区最大,壁面努塞尔数在横向上较均匀,而斜肋、V肋和W肋因为二次流的存在回流区较小,壁面努塞尔数沿着肋展方向降低。     

涡轮叶片不同肋倾角交错肋冷却流动与传热研究

交错肋是航空发动机涡轮叶片的一种高性能内冷结构,为研究涡轮叶片内部交错肋冷却结构的流动和传热特性,针对30?、35?和45?三种肋倾角的交错肋结构进行了雷诺数在17000～70000之间的稳态传热实验和数值模拟研究。数值计算的有效性通过与实验结果进行对比得到充分验证。实验结果显示,在子通道个数和雷诺数均相同的情况下,平均Nu数和摩擦因子均随肋倾角的增大而增加;对比30?倾角的交错肋结构,45?倾角交错肋结构的平均Nu数增加了40.7%,摩擦因子增加了204.9%,综合传热性能提升了13.4%。数值计算结果显示,肋倾角的增大不仅增强了转向区域的冲击作用,而且加强了对侧子通道间的流动掺混,从而达到强化传热的效果。     

狭窄通道具有针肋的表面冲击冷却实验研究

本文通过热敏液晶瞬态测量技术对狭窄空间内的光滑靶板和带有针肋扰流的表面冲击冷却展开了实验研究,射流Reynolds数范围15000~30000。实验获得了冲击靶板表面高精度的局部Nusselt数分布,通过分析获得了如下结论:1)两种靶板上的横向平均Nusselt数比Nu/(Re~(0.8)Pr~(1/3))变化趋势均几乎不随Re数变化;2)带有针肋的表面冲击冷却其端壁平均传热性能比光滑靶板高约7.0%,压力损失最大提高约17.9%;3)带有针肋的表面冲击靶板上传热驻点的分布与光滑靶板几乎一致,针肋的存在不影响横流导致的射流偏移作用;4)由于针肋显著地增加了冲击冷却系统中的换热面积,因此针肋表面的射流冲击总体传热性能会比光滑表面射流冲击显著提高。     

非牛顿纳米流体在螺旋隔板翅片管换热器与弓形隔板光滑管换热器壳程的换热性能对比

选用黄原胶作为非牛顿流体基液,碳纳米管为纳米添加粒子,实验研究了非牛顿纳米流体及其基液在螺旋隔板翅片管换热器和弓形隔板光滑管换热器的壳程冷却传热性能。实验结果表明,两台换热器的对流传热系数和压降均随雷诺数的升高而升高。与基液相比,非牛顿纳米流体在螺旋隔板翅片管换热器和弓形隔板光滑管换热器中的壳程传热系数分别提高31.3%和18.3%,其压降分别增大36.1%~52.6%和35.6%~41.4%。在雷诺数相同时,非牛顿纳米流体在螺旋隔板翅片管换热器的综合热性能为弓形隔板光滑管换热器的2.78~2.93倍。     

嵌入式微通道散热器实验与数值研究

针对高热流密度固体激光器的散热问题,借助微机电系统(MEMS)技术,利用微通道/热源协同设计方法,换热器采用连续S型微通道,并利用歧管形成分层分段流动,研制出了一套微型紧凑的嵌入式歧管S型微通道散热器,并开展了实验研究。使用HFE-7100作为冷却工质,在发热面局部最高温度小于100℃、平均温升小于45℃的情况下,两相时可带走625 W/cm²的热通量,相比传统的歧管矩形微通道散热器提高了12%,但流阻增大了约56%;利用数值模拟方法,通过改变S型的振幅和波长,根据发热面平均温度、换热面平均努塞尔数、压降和综合性能因子来评估S型微通道散热器的结构参数对其散热能力和流动阻力的影响,寻找S型微通道的最优结构设计参数组合。结果表明该散热器的综合性能因子在一个特定的S型形状下存在最佳值。     

瞬态液晶技术在涡轮叶片内部冷却研究中的应用

瞬态液晶测量技术能有效测量物体表面的换热系数,目前已经在传热研究中得到了广泛的应用。本文重点介绍了该测量方法在高温涡轮叶片内部冷却传热研究中的实验过程及应用。对内部冷却U型通道的传热研究表明:气膜抽吸作用下,通道内孔附近的传热得到强化,但区域平均传热系数变化不大;同时抽吸能使带肋通道中的压力损失有所降低。为了满足叶片冷却设计中对传热和压力损失的不同要求,改变弯头区的结构形式是一种有效的手段。实验结果进一步表明,瞬态液晶测量方法能准确地测量内部冷却通道中的传热分布,能为测量和优化涡轮叶片内部冷却传热特性提供可靠的数据支持。     

离散倾斜肋的传热强化及流动特性

本文以高湿透平叶片中腔内部冷却为应用背景，对两相对壁面具有三维离散斜肋的方形收敛通道内的传热进行了实验研究。本文获得的详尽的局部换热系数图谱、平均换热系数及复杂的近壁流场，可用于强化传热的设计。     

涡轮叶片前缘阵列冲击冷却流动及传热特性数值研究

本文采用SST湍流模型模拟了类前缘通道内蒸汽射流阵列冲击冷却的流动与传热特性,分析了雷诺数(Re =10000～50000)、孔径比(d/H= 0.5?0.9)和孔间距比(S/H = 2～6)对流动及传热性能的影响规律,得到了相应的传热和摩擦关联式.结果表明:在不同雷诺数下,d/H从0.5到0.9变化时,通道压力损失系...     

R1336mzz闪蒸喷雾冷却传热特性的实验研究

闪蒸喷雾冷却是高热流密度电子器件有效的散热技术之一.本研究采用新型工质R1336mzz,建立了一个闭式闪蒸喷雾冷却实验平台,研究了喷雾流量和入口温度等影响因素对其传热特性的影响.实验结果表明,闪蒸喷雾冷却的传热性能随流量的增加先增大后减小,在流量为1.4 L/min时,获得最佳的传热性能,临界热流密度最高可达349 W...     

冲击冷却对燃气轮机尾缘双流程内冷通道传热和压损的影响

燃机内部冷却的目标是采用更小的流量和压力损失实现通道对流传热系数的提高,并利用均匀的冷却减小热应力。本文采用数值模拟手段,研究了局部冲击冷却对带侧向出流的尾缘双流程通道传热和压损的影响。研究表明:动叶尾缘通道由于侧向出流,在页顶出现一个显著的大回流涡,当地传热系数低,易造成叶片局部温度和热应力偏高。通过在U型通道的隔板布置冲击子孔,可以有效地减小通道中分离涡的影响,提高通道末端的传热,并在对通道平均传热系数影响不大的前提下,显著降低通道阻力。使射流与靶面尽量垂直有助于达到最好的冷却效果。     

高温涡轮叶片三种内冷通道冷却性能的实验研究

本文用实验方法研究了高温涡轮叶片三种内冷通道的压力分布、冷热态流阻及局部换热系数分布．叶片前部分别采用径向光滑通道、集中冲击冷却和分散冲击冷却三种结构，叶片后部则分别采用三排φ3扰流柱和五排φ2扰流柱稠密布置两种结构．对这三种结构进行了冷却性能比较，提出了该类冷却通道的最佳结构．     

微通道内超临界二氧化碳的压降与传热特性

进行了微通道内超临界CO2的局部和平均传热与压降特性实验研究。结果表明,临界点附近物性参数的剧烈变 化使压降增大,但传热被大大强化。同时也发现,系统压力、质量流速及CO2温度对流动与传热特性有重要影响。在大 量实验数据的基础上,得出了冷却条件下水平微通道内超临界CO2强制对流换热关联式。     

带气膜孔内部冷却通道的流动传热特性

燃气轮机高温透平内部冷却通道中弯头、肋片和气膜孔之间存在着复杂的交互作用。本文采用瞬态液晶技术对光滑通道、无抽吸的带肋通道和有气膜孔抽吸的带肋通道的表面传热分布和沿程压力损失进行了详细测量,同时采用RANS数值模拟方法研究其流场特性。结果表明180°弯头产生的大分离是压力损失的主要因素,45°斜肋片产生的螺旋形流动在弯头与大分离交互作用明显,气膜孔抽吸破坏孔附近边界层使得肋间传热而相对集中于孔附近。在13%抽吸量条件下,气膜孔抽吸降低U型通道中压力损失约20%,同时保持传热强化程度与无抽吸工况相同。     

GaN芯片阵列射流冷却技术研究

针对高热流密度GaN芯片局部点热流的散热特点,采用射流冷却传热方法,对340 W/cm~2的高热流密度进行了冷却,热源以4×4点阵形式存在,实验分析了工质流量、热负荷等因素对系统换热性能的影响。以水为冷却工质,工质流量≤4.47 L/min,试验测得点热源温度低于78.8℃。     

包覆金属泡沫管束流动与传热特性实验研究

本文采用实验研究的方法得到了光滑圆管、管外包覆镍金属泡沫圆管在紧凑型错列管束中流动和换热情况,分析了金属泡沫对流动和传热的影响,发现管外包覆一定厚度的镍金属泡沫层可以明显增强圆管管束的换热性能,以较大的沿程流动阻力损失为代价,包覆镍金属泡沫管束的传热性能得到2~3倍的提高。     

差异化疏水铜表面的冷凝传热实验研究

为研究差异化疏水结构表面蒸汽滴状冷凝传热特性,首先在铜表面通过化学刻蚀法制备了不同的CuO与Cu(OH)_2微纳米复合微结构,通过十八硫醇自组装进一步修饰后,获得了具有不同静态接触角和表面能的差异化疏水表面。实验研究了不同微结构及其接触角对滴状冷凝传热性能的影响,并对冷凝传热过程中液滴在微结构表面的合并、脱落过程进行了可视化研究。结果表明,接触角相近、微结构不同的CuO-Ⅰ与Cu(OH)_2表面冷凝传热性能相近,约为光滑表面的1.5倍。接触角为125°的CuO-Ⅱ表面的冷凝传热性能明显高于CuO-Ⅰ表面,约为光滑表面的3倍。同时,相同过冷度下,CuO-Ⅰ表面冷凝液滴的合并与脱落频率明显低于CuO-Ⅱ表面。     

模拟涡轮叶片内冷通道方管和锥形管换热的实验研究

1引言在现代燃气涡轮发动机中，涡轮叶片内部设计了各种复杂的冷却通道结构，通人冷却空气，使工作状态下涡轮叶片温度降低，发动机得以安全运转。为此对干旋转情况下各种冷却方式换热效果的研允具有一定的现实意义。本课题时旋转状态下的方形等截面通道和收缩通道的局部对流换热特性进行了初步实验研究。为了近似地模拟叶片的冷却通道，本实验设计了光滑壁面的等截面方形通道、截面为矩形的收缩通道的实验模型。试验模型垂直于试验台的旋转轴转动，冷却气流流动方向向外。通道的热边界条件为等热流。2基本理论分析和实验研究旋转状态下的动…