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射流冲击对内冷通道侧壁面换热特性影响研究

推进技术 2016年第7期37卷 1295-1302页

作者：刘海涌刘存良武文明第二炮兵工程大学动力工程系陕西西安710025 西北工业大学动力与能源学院陕西西安710072

建立了前缘梯形内冷通道的放大模型,结合斜射流冲击冷却进行试验测量,研究通道内壁面的换热特性,并结合流场测量结果进行换热分析,更好地理解此类受限通道内冲击冷却的强化换热机理,为更高效的内冷通道设计提供参考。使用热电偶对出流... 详细信息

建立了前缘梯形内冷通道的放大模型,结合斜射流冲击冷却进行试验测量,研究通道内壁面的换热特性,并结合流场测量结果进行换热分析,更好地理解此类受限通道内冲击冷却的强化换热机理,为更高效的内冷通道设计提供参考。使用热电偶对出流侧壁面温度进行了详细测量,研究射流角度、横流和射流雷诺数对其Nu的影响规律。结果表明:出流孔的抽吸作用会强化孔排上方和下方边缘附近壁面的换热;射流入射角度的增加使出流孔上方壁面的Nu峰值对横流强度变化的敏感度提高;横流会削弱侧壁面上Nu峰值,且对出流侧壁面的不同区域换热情况的影响位置不同;射流雷诺数的增加将大幅提高整个出流侧壁面的换热能力,但对其换热特性规律不会产生影响。

关键词：前缘内冷通道冲击冷却横流换热特性

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气膜内冷通道高度对气膜孔流量系数的影响

航空动力学报 2011年第3期26卷 543-550页

作者：毛军逵胡博苏云亮郭文南京航空航天大学能源与动力学院南京210016 上海飞机设计研究院动力燃油设计研究部上海200232 中国航空工业集团公司中国燃气涡轮研究院涡轮室成都610500

以一种基于旋流增益的强化换热技术为研究对象,对狭小受限的气膜孔内冷通道中气膜孔的流量系数开展了试验研究.试验中通过改变气膜孔雷诺数Re(4800～26000)、吹风比M(0.36～2.74)、无量纲冷却通道高度h/d(0.33～2.0)等参数,研究了狭小... 详细信息

以一种基于旋流增益的强化换热技术为研究对象,对狭小受限的气膜孔内冷通道中气膜孔的流量系数开展了试验研究.试验中通过改变气膜孔雷诺数Re(4800～26000)、吹风比M(0.36～2.74)、无量纲冷却通道高度h/d(0.33～2.0)等参数,研究了狭小空间的几何结构、流动参数等对单排气膜孔平均流量系数Cd的影响,并得到了相关的经验准则关系式.试验发现:在主流雷诺数不变的工况下,随着气膜孔雷诺数的增加,流量系数逐步增加.在给定气膜孔雷诺数下,随着吹风比M的变大,气膜孔流量系数逐步增大.当h/d减小后,气膜孔流量系数随之逐渐降低.当气膜孔雷诺数大于9 500时,h/d的变化对气膜孔流量系数的影响尤为显著.

关键词：气膜冷却流量系数内冷通道受限空间旋流

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层板内冷通道辐射换热影响

北京航空航天大学学报 2007年第11期33卷 1273-1276页

作者：陶智吕东丁水汀蔡毅北京航空航天大学航空发动机气动热力重点实验室北京100083 西安航空发动机(集团)有限公司西安710021

分析了层板换热过程,使用了"去除复杂表面"和"无限大平板"等假设,给出了该假设下层板内腔辐射换热计算公式.又以一特定几何结构的层板模型为例,使用了3维流体力学计算程序求解了流-固耦合情况下的层板内部换热过程,研究了其在4种航空发... 详细信息

分析了层板换热过程,使用了"去除复杂表面"和"无限大平板"等假设,给出了该假设下层板内腔辐射换热计算公式.又以一特定几何结构的层板模型为例,使用了3维流体力学计算程序求解了流-固耦合情况下的层板内部换热过程,研究了其在4种航空发动机典型工作状态下,内冷通道中的对流和辐射换热情况,得到了辐射与对流换热强度之比θ随冷气入口Re数和燃气加热功率的变化曲线,并对该曲线进行了指数拟合.建立了一套快速简捷计算层板内腔辐射状况的方法,为层板内腔换热研究是否应该忽略辐射,以及对层板冷却效果的修正,提供了一定的判断和计算依据.

关键词：层板对流辐射内冷通道

八面体桁架结构在内冷通道中的流动传热特性研究

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推进技术 2022年第7期43卷 281-290页

作者：白晓辉刘存良孟宪龙杜昆中山顕西北工业大学动力与能源学院陕西西安710072 陕西省航空动力系统热科学重点实验室陕西西安710072 日本静冈大学工学部日本滨松432-8561

为探究八面体桁架结构在航空发动机热端部件内冷通道中的可应用性,掌握八面体桁架结构的流动传热特性,采用理论推导和三维数值模拟的方法,对八面体桁架单体的有效导热系数以及八面体桁架阵列结构的流动结构和传热性能开展了研究。首先,... 详细信息

为探究八面体桁架结构在航空发动机热端部件内冷通道中的可应用性,掌握八面体桁架结构的流动传热特性,采用理论推导和三维数值模拟的方法,对八面体桁架单体的有效导热系数以及八面体桁架阵列结构的流动结构和传热性能开展了研究。首先,针对八面体桁架单体结构,推导出了考虑节点效应的有效导热系数关系式,并通过与数值计算结果对比,验证了其有效性。其次,针对八面体桁架阵列结构,开展了整体结构的三维数值计算,分析了其内部通道的流动结构和温度分布,获得了不同结构的流动阻力和对流传热系数随雷诺数的变化规律。最后,考虑到结构的综合传热性能,本文针对不同孔隙率的八面体桁架阵列结构,进行了基于相同泵功率下努塞尔数的对比。根据计算结果,本文给出了获得最佳传热性能的无量纲直径0.07~0.08,相应的孔隙率变化为0.872~0.841。分析其原因,由于随着结构孔隙率的减小,即固体率的增加,对流传热强度不断提高,然而,当孔隙率减小到84.1%以下时,由于内通道中流动阻力骤然增大,导致传热效率降低。将八面体桁架结构应用于航空发动机热端部件内冷通道中,是同时出于高效冷却和力学性能的考虑,本文掌握八面体桁架阵列结构的流动传热特性,为其在实际工程中的应用提供了理论支撑。

关键词：八面体桁架结构内冷通道三维数值模拟有效导热系数流动传热特性

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带肋和气膜孔内冷通道换热机理研究

西北工业大学学报 2006年第4期24卷 505-509页

作者：李广超朱惠人郭涛西北工业大学动力与能源学院陕西西安710072

采用SST k-ω紊流模型,求解三维N-S方程,对带90°肋和气膜孔的矩形通道在入口雷诺数为5×104,气膜孔总出流比为0.22、0.14、0.09和0时进行了换热特性的数值模拟。分析了扰流肋和气膜孔出流使换热增强的机理。结果表明,带肋和气膜孔的通... 详细信息

采用SST k-ω紊流模型,求解三维N-S方程,对带90°肋和气膜孔的矩形通道在入口雷诺数为5×104,气膜孔总出流比为0.22、0.14、0.09和0时进行了换热特性的数值模拟。分析了扰流肋和气膜孔出流使换热增强的机理。结果表明,带肋和气膜孔的通道流场非常复杂,肋和气膜孔出流都会使换热增强。单独带气膜孔的通道,气膜孔出流对上游边界层有抽吸作用,使边界层变薄,导致气膜孔上游区域换热增强;抽吸同时使上游流体发生向下的弯转,冲击气膜孔下游表面,导致气膜孔下游区域换热增强;单独带肋的通道,肋的扰流使换热显著增强;同时带肋和气膜孔的通道,肋是换热强化的主要因素,气膜孔的出流对换热影响较小。

关键词：内冷通道换热肋气膜孔

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涡轮叶片内冷通道的磨料流光整加工特性

金刚石与磨料磨具工程 2023年第1期43卷 110-117页

作者：郑志鑫董志国李孟楠雷鸿博太原理工大学机械与运载工程学院太原030024 精密加工山西省重点实验室太原030024

航空涡轮叶片内部的多冷却通道多采用消失模铸造等方法制造,其表面粗糙度较高,冷却效率低,内部流道截面小且呈S形弯曲狭长分布,不容易抛光。用Polyflow软件对叶片内冷通道进行仿真,研究其内部压力场、速度场的变化情况。在工件的4个典... 详细信息

航空涡轮叶片内部的多冷却通道多采用消失模铸造等方法制造,其表面粗糙度较高,冷却效率低,内部流道截面小且呈S形弯曲狭长分布,不容易抛光。用Polyflow软件对叶片内冷通道进行仿真,研究其内部压力场、速度场的变化情况。在工件的4个典型区域进行S形内流道加工试验,研究表面粗糙度与材料去除量的变化规律。结果表明:经仿真,压力下降的幅度沿流动方向逐渐变小,速度由通道中心向壁面逐渐减小;相同试验条件下,S形流道转弯处的表面粗糙度比直流道处的低;流道内存在沿程压力损失,区域A比区域D的材料去除量大4~5倍。

关键词：磨料流加工涡轮叶片 S形流道 Polyflow仿真模拟内冷通道

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温度比对叶片内冷通道对流传热影响的数值研究

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科学技术与工程 2012年第10期20卷 2368-2374,2390页

作者：刘高文夏全忠彭力西北工业大学动力与能源学院西安710072

为了提高涡轮叶片内冷通道流动传热计算精度,首先讨论了大温差下空气物性不同计算方法间的差异,并通过与管内常用传热经验关系式结果的对比,研究了不同定性温度取值方法和湍流模型对数值模拟结果的影响。在此基础上侧重研究了大温差对... 详细信息

为了提高涡轮叶片内冷通道流动传热计算精度,首先讨论了大温差下空气物性不同计算方法间的差异,并通过与管内常用传热经验关系式结果的对比,研究了不同定性温度取值方法和湍流模型对数值模拟结果的影响。在此基础上侧重研究了大温差对光滑圆形内冷通道内的流动传热的影响,温度比变化范围0.5～0.9,通道Re数范围20 000～60 000,得到了传热Nu数和温度修正因子随温度比与Re数的变化数据和拟合关系式。结果表明采用截面平均流体温度定义传热系数和采用Realizable k-ε湍流模型可使局部和平均传热系数与Gnielinski公式结果符合良好。大温差对通道传热的影响显著,Nu数最大降幅可达30%。计算显示温度修正因子随温度比的减小而减小,随Re数的增大而减小。

关键词：涡轮叶片内冷通道大温差传热系数温度比数值模拟

基于OpenFOAM的涡轮叶栅及典型内冷通道数值研究

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基于OpenFOAM的涡轮叶栅及典型内冷通道数值研究

作者：钱潇如哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

燃气轮机在经济的可持续发展中占据着重要的地位,具有高效率、高稳定性的优点。提高涡轮进口温度是获得更高的燃气轮机循环效率重要的手段之一,但是过高的进口温度使得高压涡轮静叶、动叶等部位承受着较高的热负荷,甚至超过了材料许用范... 详细信息

燃气轮机在经济的可持续发展中占据着重要的地位,具有高效率、高稳定性的优点。提高涡轮进口温度是获得更高的燃气轮机循环效率重要的手段之一,但是过高的进口温度使得高压涡轮静叶、动叶等部位承受着较高的热负荷,甚至超过了材料许用范围,因此如何设计叶片冷却系统尤为重要。在多种冷却方法的研究中,叶片内部通过湍流发生器增强冷却的方法被证明是有效的、方便的。近年来数值模拟正在成为研究涡轮叶片内部冷却流动的有效手段,其中大涡数值模拟(LES)正在得到越来越广泛的应用。本文基于开源软件OpenFOAM中的rhoPimpleFoam求解器,对算法进行改进,并对多种湍流模型的应用进行探讨,包括多种RANS湍流模型、LES OneEqddy亚格子模型、DynOneEqEddy亚格子模型等。为了在大涡数值模拟计算过程中节约计算资源,对OpenFOAM中的并行加速进行研究。通过典型的粘性方腔流动验证了计算平台具有良好的编译性。将改进的数值算法应用于二维后台阶及三维涡轮叶栅流场的计算中,并进一步对算法进行验证。指出采用双曲正切进口条件得到的台阶后的旋涡结构与实验结果最为吻合,采用OpenFOAM中的turbulentInlet、fixedValue进口条件的计算结果具有较好的一致性,但是与实验结果相差较大。对三维叶栅型面静压以及流场结构对比结果表明:kω-sst湍流模型得到的结果与实验数据最为吻合。对U型带肋双通道流动换热机理进行研究。指出在静止状态下,各种湍流模型都能模拟出通道壁面换热的基本规律,但是LES能够清晰的捕捉到流场中的强剪切效应的细微结构,清楚模拟出雷诺应力分布规律。进一步采用LES OneEqddy亚格子模型对不同旋转方向下的带肋双通道进行研究。旋转时科氏力诱导的二次流在壁面附近的动量输运中占据着重要作用,旋向影响由于肋的存在诱导的流动分离、再附以及旋涡结构。不同的旋转方向对于通道中压力的影响是相似的:径向外流通道中的压力随着流动逐渐增加,在弯管处达到最大值,随后压力逐渐降低。与静止状态相比较:总体而言旋转增强壁面上的换热性能。径向外流以及径向内流通道中面平均的努赛尔数比值在逆时针旋转时分别增加了22.72%、35.37%,在顺时针旋转时分别增加31.18%、15.62%。两种旋转状态下壁面上换热性能的发展趋势与理论分析的规律相同的。

关键词： OpenFOAM 大涡模拟内冷通道流动与换热

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涡轮叶片内冷通道流热固耦合数值仿真研究

涡轮叶片内冷通道流热固耦合数值仿真研究

作者：何鑫哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

随着航空发动机涡轮前温度不断提升,涡轮叶片内冷结构的设计原来越复杂,采用先进的内部冷却技术或改进内部冷却结构从而降低叶片表面温度至关重要。所以,本文对涡轮叶片内冷结构流热固耦合机理及其流动换热特性深入研究,构建了带肋直通... 详细信息

随着航空发动机涡轮前温度不断提升,涡轮叶片内冷结构的设计原来越复杂,采用先进的内部冷却技术或改进内部冷却结构从而降低叶片表面温度至关重要。所以,本文对涡轮叶片内冷结构流热固耦合机理及其流动换热特性深入研究,构建了带肋直通道模型,重点分析了通道内的综合传热效率,获得了无量纲肋间距、肋高对带肋直通道流动传热特性影响规律,在此基础上,进一步研究了气动载荷和热载荷同时作用下叶片的等效应力分布。主要研究内容如下:首先完成了对C3X涡轮叶片多物理场耦合算法验证并且详细分析了涡轮叶片周围的流动换热特性和叶片内部的换热特征。与实验数据对比发现,SST k-ω湍流模型能够更精准的预测涡轮叶片的流动传热等特性。通过叶片固体网格完成了流固耦合和热力耦合的数据交换,实现了热力耦合分析以及应力场和变形场分析,得到了热力耦合特征。其次采用数值模拟的研究手段,首先对带肋直通道模型内部的稳态流场进行了数值计算,对其进行了网格无关性验证和湍流模型验证,并且对SST k-ω模型和实验结果进行对比,对通道内的流动现象和传热情况进行了后处理和分析。然后针对不同Re数下无量纲肋间距、肋高对带肋直通道流动和传热性能进行研究,借助了SST k-ω湍流模型,雷诺数范围为10000至50000,在对不同结构的模型在不同工况下进行了流动和传热结果的分析,最后在雷诺数50000工况下结果分析,在其他条件相同下,对比了无量纲肋间距下带肋直通道的综合传热效率,随着雷诺数的增长,分析了无量纲肋间距下的综合传热效率以及传热效果。此外,在其他条件相同的情况下,对比了无量纲肋高对带肋直通道的综合传热效率的影响,随着雷诺数的增长,分析了无量纲肋高下的模型的综合传热效率以及传热效果。最后采用C3X涡轮叶片外部轮廓,构建了带优化肋结构的涡轮叶片计算域,通过Workbench平台进行流热固耦合计算。对于静强度计算,主要考虑气动载荷和热应力载荷。计算了设计的叶片在单一载荷作用下的等效应力分布,对比了在气动载荷和热载荷同时作用下叶片的等效应力分布,将两种载荷共同施加到C3X涡轮叶片上,对两种载荷共同作用在叶片上产生的变形量和等效应力分布进行了综合分析。

关键词：燃气轮机涡轮叶片内冷通道流热固耦合应力场