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PV/T模块复合冷却模式性能对比测试与数值模拟分析

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化工进展 2023年第2期42卷 722-730页

作者：杜涛马进伟陈茜茜方浩陈秉章陈厚仁安徽建筑大学环境与能源工程学院安徽合肥230601

目前PV/T集热器有关双流体复合冷却的研究还少有涉及,基于此,本文通过搭建两套PV/T模块测试平台开展复合冷却与无工质冷却的对比实验,研究不同流量工况下模块的性能表现。数据表明:同时增大空气与水的质量流量有助于提高PV/T模块的电热... 详细信息

目前PV/T集热器有关双流体复合冷却的研究还少有涉及,基于此,本文通过搭建两套PV/T模块测试平台开展复合冷却与无工质冷却的对比实验,研究不同流量工况下模块的性能表现。数据表明:同时增大空气与水的质量流量有助于提高PV/T模块的电热性能,综合效率最高可达84.46%;复合冷却模式下玻璃盖板表面温度分层明显,电效率较无工质冷却模块可提升16.09%。通过对比实验数据与模拟结果,验证了PV/T数值模型的可信度,并进一步模拟分析运行参数对PV/T模块工作性能的影响,结果显示:单一地提高空气或水的质量流量,PV/T模块的总热效率、综合性能均得到提升;增大进口工质温度降低了模块的电热性能;而辐照强度的增加能够有效提升模块的综合效率。

关键词：太阳能光伏/光热复合冷却实验验证数值模拟

液体火箭发动机推力室复合冷却流动与传热研究

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推进技术 2020年第7期41卷 1520-1528页

作者：杨成骁王长辉北京航空航天大学宇航学院北京100191

为了预测液体火箭发动机推力室的复合冷却性能,建立了推力室再生冷却通道和超临界氢的三维仿真模型以及推力室内燃气和超临界氢膜的轴对称二维仿真模型。通过边界耦合发展了液体火箭发动机推力室复合冷却流动与传热的数值仿真方法。对... 详细信息

为了预测液体火箭发动机推力室的复合冷却性能,建立了推力室再生冷却通道和超临界氢的三维仿真模型以及推力室内燃气和超临界氢膜的轴对称二维仿真模型。通过边界耦合发展了液体火箭发动机推力室复合冷却流动与传热的数值仿真方法。对航天飞机主发动机推力室内部燃气、超临界冷却膜、室壁和再生冷却剂进行了流动与传热耦合计算仿真研究。研究表明,仿真方法可较好地预测推力室燃气及再生冷却剂的流动和传热,计算得到航天飞机主发动机的燃气侧壁面最高热流密度为129MW/m^2,最高壁温为885K,冷却剂温升为192K,压降为8.8MPa,结果与已有数据吻合较好。模型和仿真方法可用于液体火箭发动机推力室冷却系统传热计算和冷却结构的优化设计。

关键词：液体火箭发动机复合冷却再生冷却膜冷却超临界数值模拟

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扇形气膜孔+冲击复合冷却气热耦合研究

工程热物理学报 2020年第11期41卷 2726-2733页

作者：操郢杜文海董子璋张鹏付经伦刘建军中国科学院工程热物理研究所北京100190 中国科学院大学北京100190 北京石油化工学院北京102617 北京国电富通科技发展有限责任公司北京100070

本文采用气热耦合的数值计算方法研究了带有扇形气膜孔和冲击复合冷却结构平板的冷却特性。分析了流量比、Bi数对平板复合冷却的综合冷却效果、壁面换热特性的影响.结果表明,随流量比增大,复合冷却结构的吹风比和冲击雷诺数随之增大,复... 详细信息

本文采用气热耦合的数值计算方法研究了带有扇形气膜孔和冲击复合冷却结构平板的冷却特性。分析了流量比、Bi数对平板复合冷却的综合冷却效果、壁面换热特性的影响.结果表明,随流量比增大,复合冷却结构的吹风比和冲击雷诺数随之增大,复合结构的综合冷却效果逐渐提高直至气膜抬离壁面后达到极限。Bi数对复合冷却结构的综合冷却效果分布规律有重要影响,Bi数越大,复合冷却结构冷却效果更加近似于绝热气膜冷却,Bi数越小,综合冷却效果分布更均匀。

关键词：复合冷却气热耦合数值模拟流量比 Bi数

静叶前缘冲击—凸起扰流结构复合冷却的数值研究

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热能动力工程 2022年第6期37卷 83-90页

作者：陈伟杜海芬邹佳瑶谢诞梅武汉大学动力与机械学院湖北武汉430072 广东万家乐燃气具有限公司广东佛山528300 中冶南方都市环保工程技术股份有限公司湖北武汉430205

为了改善燃气透平叶片冲击-凸起扰流结构流动与换热特性,构建了3种复合冷却叶片:无凸起结构V1,分别在前缘与冲击孔错列布置两种泪滴型扰流柱V2和V3,采用SST k-omega湍流模型,在8种不同质量流量比(MFR)工况下分析3种叶片的流动与换热特... 详细信息

为了改善燃气透平叶片冲击-凸起扰流结构流动与换热特性,构建了3种复合冷却叶片:无凸起结构V1,分别在前缘与冲击孔错列布置两种泪滴型扰流柱V2和V3,采用SST k-omega湍流模型,在8种不同质量流量比(MFR)工况下分析3种叶片的流动与换热特性。结果表明:针对C3X叶型布置的泪滴型扰流柱能有效改善叶片的换热特性;低MFR工况下,V3结构性能更优,冷却效率可提高9.29%;增加MFR可以同时改善流动与换热特性,当MFR从0.25%增加到1.00%时,3种叶片的压力损失系数先增大后减小;随着MFR从0.25%增加到2.00%,V2和V3结构冷却效率的提高率逐渐降低;在MFR≥1.00%时,V3结构的流动与换热特性均优于V2。

关键词：复合冷却泪滴型凸起冲击冷却燃气透平

采用渐变微小通道的RBCC引射火箭复合冷却数值模拟研究

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工程热物理学报 2020年第5期41卷 1179-1185页

作者：万昊袁彪秦飞李文强张铎何国强燃烧流动与热结构国家重点实验室西北工业大学航天学院西安710072 中国航发四川燃气涡轮研究院成都610500

引射火箭是火箭基组合循环(RBCC)发动机重要组成部分,为RBCC发动机提供大推力的同时承载极高的热载荷。本文设计了火箭推力室复合冷却结构,采用再生和液膜冷却相结合的方式对火箭喉部进行冷却,再生冷却通道在收敛段和扩张段的宽度从微... 详细信息

引射火箭是火箭基组合循环(RBCC)发动机重要组成部分,为RBCC发动机提供大推力的同时承载极高的热载荷。本文设计了火箭推力室复合冷却结构,采用再生和液膜冷却相结合的方式对火箭喉部进行冷却,再生冷却通道在收敛段和扩张段的宽度从微尺度到小尺度渐变分布。采用数值模拟的方法研究了该复合冷却结构耦合传热特性。结果表明:渐变微小通道的设计能够强化喉部换热,液膜冷却能够大幅降低入口及下游热流密度,有效控制壁温。

关键词： RBCC 引射火箭复合冷却数值模拟

凹坑气膜孔-冲击复合冷却结构耦合传热特性研究

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凹坑气膜孔-冲击复合冷却结构耦合传热特性研究

作者：王文壮天津理工大学

学位级别：硕士

燃气轮机透平进口温度的提升是提高其循环功率和热效率最直观最有效的方式,但目前燃气轮机涡轮进口温度的提升速度已经远超过透平叶片耐高温材料的发展速度,对透平叶片的耐热性也提出了更高的要求。先进合理冷却技术的运用相较于新材料... 详细信息

燃气轮机透平进口温度的提升是提高其循环功率和热效率最直观最有效的方式,但目前燃气轮机涡轮进口温度的提升速度已经远超过透平叶片耐高温材料的发展速度,对透平叶片的耐热性也提出了更高的要求。先进合理冷却技术的运用相较于新材料或工艺的研制,带来的效果更加显著。因此高效的冷却技术成为了保证燃气轮机稳定运行的关键。目前现代燃气轮机透平叶片冷却中已经发展出包括外部冷却、内部冷却以及内外复合冷却在内的多种冷却形式。其中气膜冲击复合冷却是应用于现代燃气轮机高温部件的先进冷却方式之一。多种冷却形式间的耦合传热效果并不是简单的叠加,需要进行详细的研究证明其实际冷却性能。本文首先在绝热环境下对气膜冷却性能进行研究。采用数值计算方法研究了凹坑气膜孔凸台结构对冷却性能的影响,同时在多吹风比条件下结合神经网络、遗传算法对凹坑孔进行了较大孔间距下的外形优化。结果表明:凹坑孔凸台结构是影响冷气流动并产生涡对的关键因素。一定规模强度的反肾形涡对压制了中心线附近肾形涡对的负面作用,可以更好的引导冷气附着在壁面,提升了凹坑孔中下游的气膜覆盖效果,增强了气膜冷却效率。优化孔型的凹坑拥有较大的展向延伸与深度,流向长度较小。区域平均冷却效率较参考孔分别在吹风比M=0.5、M=1.0、M=1.5、M=2.0、M=2.5条件下提升了16.58%、51.17%、70.81%、58.81%、73.78%,一定程度保证了各吹风比下的冷却性能。然后在耦合传热环境下对气膜冲击复合冷却结构进行研究,采用气热耦合的数值计算方法分析了不同吹风比下圆柱孔与凹坑孔复合冷却结构的综合冷却性能,并研究了凹坑孔复合冷却中冲击孔结构对综合冷却性能的影响。结果表明:气膜孔型对综合冷却性能的影响较大,凹坑孔冲击复合冷却结构中的综合冷却效率更高且分布更加均匀,随着吹风比的提升展向平均综合冷却效率逐渐升高。冲击孔的排列方式以及冲击孔径对复合冷却的综合冷却效率的影响较大,冲击孔扩张方式与冲击距离的作用效果并不明显。

关键词：气膜冷却凹坑孔数值模拟外形优化复合冷却

超声速主流鼻锥逆喷-发汗复合冷却特性数值研究

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超声速主流鼻锥逆喷-发汗复合冷却特性数值研究

作者：边雨阳哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

鼻锥是一种在高超声速飞行器中常见的结构。随着飞行器速度的不断增加,鼻锥结构所面临的热环境变得更加恶劣,需要对其采用合理有效的热防护。逆向喷流和发汗冷却是常用于钝头体热防护的两种热防护方式,但两者均存在一定的缺点。逆喷-发... 详细信息

鼻锥是一种在高超声速飞行器中常见的结构。随着飞行器速度的不断增加,鼻锥结构所面临的热环境变得更加恶劣,需要对其采用合理有效的热防护。逆向喷流和发汗冷却是常用于钝头体热防护的两种热防护方式,但两者均存在一定的缺点。逆喷-发汗复合冷却综合了两种冷却方式的优点,能够相互弥补不足,提升对钝头体的热防护效果。本文以高温超声速主流中的鼻锥结构为研究对象,通过数值模拟方法,研究逆喷-发汗复合冷却的机理、有效性以及冷却特性,论文主要内容如下:研究单相复合冷却的热防护机理和有效性,并将复合冷却的热防护效果与逆喷、发汗冷却方案进行对比,说明复合冷却的优势。在复合冷却方案中,一部分冷却剂通过鼻锥前缘的槽缝进入主流中,形成逆向喷流,另一部分冷却剂进入多孔介质中与其固体骨架发生热交换,对鼻锥形成发汗冷却,进入主流域的冷却剂会覆盖在鼻锥表面,形成低温冷却剂薄膜,起到隔热的作用。与逆向喷流相比,复合冷却能够在鼻锥表面形成更厚的冷却剂膜,降低边界层内的温度梯度和速度梯度,并且对鼻锥的整体冷却效果更好。与发汗冷却相比,复合冷却能够更好地对鼻锥前缘形成热防护,并且鼻锥表面的温度梯度更小,即鼻锥表面所受的热应力更小。在不同的主流条件下,复合冷却均能很好地保护鼻锥,并且冷却效果随主流总温和马赫数的增加而提升。探究槽缝宽度、冷却剂注入率、冷却剂种类、多孔介质孔隙率以及多孔介质基体材料种类五种因素对单相复合冷却效果的影响。随着冷却剂槽缝宽度的增加,主流更容易进入到槽缝中,影响其中冷却剂的流动,复合冷却对鼻锥的热防护效果变差。冷却剂注入率的增加会使弓形激波与鼻锥驻点间的距离变远,有助于鼻锥前缘冷却效果的提升。密度较小的冷却剂能够将弓形激波推向距驻点更远的位置处,并在鼻锥表面形成更厚的低温膜;比热大的冷却剂在吸收同样热量时的温升小,能够更好地保护鼻锥。孔隙率的减小能够增加多孔介质内的比表面积,增强冷却剂与固体骨架的换热,提升对鼻锥前缘的冷却效果。多孔介质基体材料的导热系数越大,则多孔介质内的温度分布越均匀,复合冷却对鼻锥的整体热防护效果越好。为进一步提升复合冷却效果,采用液态水作为冷却剂,探究相变复合冷却的热防护特性。液态水相变过程中能够吸收大量的热,有助于冷却效果的提升。相变复合冷却效率同样随主流总温或马赫数的增加而升高,但不同工况下的冷却效率均在94%以上。主流攻角较小时,多孔介质中的液态水几乎不发生相变,此时复合冷却的热防护效果较好;当攻角达到6°及以上时,鼻锥迎风侧多孔介质中的相变现象明显,鼻锥前缘温度迅速升高,多孔介质表面温度梯度较大。本文的研究能够为高超声速飞行器主动式热防护系统的设计与优化提供参考。

关键词：复合冷却逆向喷流发汗冷却鼻锥主动式热防护

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旋转状态下涡轮叶片复合冷却结构

航空动力学报 2017年第3期32卷 584-591页

作者：朱兴丹张靖周谭晓茗南京航空航天大学能源与动力学院江苏省航空动力系统重点实验室南京210016

采用三维流固耦合换热计算研究了旋转状态下涡轮叶片冷却结构的复合冷却性能,讨论了辐射换热和转速对综合冷却效果的影响.结果表明:结构1叶根处出现局部高温区,低冷却效率范围大,叶片整体温度分布不均匀,结构2通过更合理的气膜流量分配... 详细信息

采用三维流固耦合换热计算研究了旋转状态下涡轮叶片冷却结构的复合冷却性能,讨论了辐射换热和转速对综合冷却效果的影响.结果表明:结构1叶根处出现局部高温区,低冷却效率范围大,叶片整体温度分布不均匀,结构2通过更合理的气膜流量分配提高了前缘附近冷却效率,降低了叶片表面最高温度,结构3采用内部蛇形通道使吸力面冷却效率显著提高,叶片整体冷却效率分布较为均匀;考虑壁面辐射换热时叶片表面温度升高,当表面发射率为1时局部温升超过50K,壁面辐射换热的影响不能被忽略;压力面综合冷却效率随转速增大而升高,3种结构的局部冷却效率最高分别能提升15.6%,13.4%和16.4%,吸力面上除弦中区冷却效率随转速升高有所降低外,其余位置冷却效率变化不大.

关键词：涡轮叶片复合冷却辐射换热旋转流固耦合

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复合冷却及凹坑冷却耦合传热研究

复合冷却及凹坑冷却耦合传热研究

作者：操郢中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所)

学位级别：硕士

透平前进气温度是影响燃气轮机性能的重要因素之一。透平冷却技术的发展为进一步提高透平前进气温度打下了基础。目前,燃机透平叶片中已发展出包括外部冷却(气膜冷却、发汗冷却等)、内部冷却(对流冷却、冲击冷却)等在内的冷却形式。实... 详细信息

透平前进气温度是影响燃气轮机性能的重要因素之一。透平冷却技术的发展为进一步提高透平前进气温度打下了基础。目前,燃机透平叶片中已发展出包括外部冷却(气膜冷却、发汗冷却等)、内部冷却(对流冷却、冲击冷却)等在内的冷却形式。实际的透平叶片局部采用多种冷却单元来满足高温热载荷的挑战,叶片的前缘、中弦区及端壁等位置用到了气膜/冲击复合冷却方案,多种冷却方式间的耦合传热效果不是简单的冷却效果的叠加。本文采用气热耦合的数值方法分析了复合冷却内部流动和换热特性,进一步将凹形漩涡发生器引入到复合结构中,并对各种复合冷却方案的冷却特性进行了总结,用耦合传热实验方法进行了综合冷却效率的测量。对影响复合结构冷却效率的几何因素、流动因素及固体导热作用进行了研究。对几何因素的研究表明,气膜孔孔型和冲击孔直径是影响复合结构综合冷却效率的重要因素,冲击距离的作用结果并不明显,各种孔型结构中,扇形孔和冲击复合冷却有着最高的综合冷却效率。对流动因素的研究包括:吹风比、冲击雷诺数及冷气量。结果表明吹风比及冲击雷诺数的增大对应着气膜流场中肾形对涡的增强及冲击壁面换热系数的提高,对综合冷却效率均有提升效果。吹风比在达到一定值之后(该值与气膜孔型有关),由于气膜抬离壁面,吹风比对综合冷却效果的提升作用逐渐减弱。增大冷气量供应,复合冷却结构的吹风比和冲击雷诺数均增大,但冷却效率不会随冷气量的增多而无限提高。复合冷却结构中,Biot数可表示冲击冷却对综合冷却效率贡献大小,大Biot数时综合冷却效率分布接近平板绝热气膜冷却,小Biot数时整个平板的冷却效率分布更为均匀,温度梯度变小。对于特定的复合冷却结构,存在一个适当的Biot数,使得冷气潜能在内部冷却和外部冷却得到合理分配,平均综合冷却效率值最高。对凹坑+冲击/气膜复合方案进行了评估,研究了凹坑的布置位置、深径比及冲击雷诺数对综合冷却效率的影响。结果表明,在高速冲击条件下,凹坑与冲击孔交错排布能够有效提高内部对流换热的效果,综合冷却效果有明显提高。不同的凹坑深径比下,冲击浅凹坑的冷却效果更好。凹坑对位置布置及流动条件较为敏感,不当的使用凹坑结构可能引其内部传热的恶化。开展了耦合传热实验方案,建立TSP冷效测量系统,并应用于冲击/气膜复合冷却及凹坑+冲击/气膜复合冷却耦合壁面上温度场测量,将多个时刻的连续测量结果平均后得到相应的综合冷却效率的分布,对数值计算结论进行了验证。

关键词：复合冷却耦合传热 TSP测温凹坑冷却