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旋转通道入口湍流度控制方法及验证

航空动力学报 2015年第2期30卷 384-391页

作者：吴学旺孙纪宁张传杰金钊北京航空航天大学能源与动力工程学院航空发动机气动热力国家级重点实验室北京100191

针对旋转通道实验,为了获得理想的旋转通道入口湍流度,更好地模拟实际涡轮叶片内冷通道的流动换热,提出了一种入口湍流度控制方法,并通过实验对该方法进行了验证和初步探索.实验中,在边长为40mm×40mm的方形通道中,放置了一层网丝直径d=... 详细信息

针对旋转通道实验,为了获得理想的旋转通道入口湍流度,更好地模拟实际涡轮叶片内冷通道的流动换热,提出了一种入口湍流度控制方法,并通过实验对该方法进行了验证和初步探索.实验中,在边长为40mm×40mm的方形通道中,放置了一层网丝直径d=3mm,网丝间距Mu=12mm的阻尼网,利用热线风速仪,得到了雷诺数为2200-3900范围内的阻尼网后下游湍流特性.研究发现：流体通过该阻尼网后,湍流度显著增大并沿流向逐渐衰减,相同点湍流度随阻尼网雷诺数增大而增大,气流在阻尼网后较短距离内就获得了5%的湍流度,这与实际涡轮叶片内冷通道流动湍流度相当;阻尼网雷诺数越小,流动越早进入横向均匀及各向同性湍流;通过经典公式对阻尼网后通道中心湍流度沿流向分布进行拟合,实验数据与曲线拟合较好.

关键词：旋转通道入口湍流度热线风速仪阻尼网流动换热

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旋转通道内二维不可压湍流场的计算

流体工程 1993年第4期21卷 20-23页

作者：林建忠浙江大学

应用有哥氏力修正以及计及壁面效应的κ-ε湍流模式,计算了旋转矩形通道内二维湍流场,得到了通道内的平均速度和涡粘度分布以及壁剪切速度随旋转数的变化规律,并将这些结果与实验进行了比较,两者吻合较好。

关键词：旋转通道湍流场数值计算

旋转通道内超临界压力正癸烷对流换热实验研究

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旋转通道内超临界压力正癸烷对流换热实验研究

作者：单维佶清华大学

学位级别：硕士

随着航空发动机涡轮进口燃气温度越来越高,对涡轮叶片的冷却问题也越来越严峻。目前,对涡轮叶片的冷却手段主要采用从压气机引出一部分空气,在叶片内部冷却通道进行换热,随着发动机运行参数的提高,需要更高的冷却能力。人们提出采用飞... 详细信息

随着航空发动机涡轮进口燃气温度越来越高,对涡轮叶片的冷却问题也越来越严峻。目前,对涡轮叶片的冷却手段主要采用从压气机引出一部分空气,在叶片内部冷却通道进行换热,随着发动机运行参数的提高,需要更高的冷却能力。人们提出采用飞行器携带的碳氢燃料直接冷却叶片或先用碳氢燃料冷却从压气机引出的空气,再用空气冷却涡轮叶片。而飞行器在飞行过程中,往往受到惯性力作用,此时换热器中碳氢燃料对流换热规律需要进行深入研究,基于上述研究背景,本文对旋转通道内超临界压力正癸烷对流换热开展了实验研究,获得的主要结论如下:对于离心段:旋转条件下,由于哥氏力的作用,离心段前缘面温度高于后缘面,后缘面换热能力强于前缘面。随转速的增加,入口段长度减小,换热能力增强。旋转条件下,整体上随热流密度的增加,浮升力增强,强化换热;质量流量改变时,应该考虑雷诺数与浮升力的耦合作用,随质量流量增加,Bo下降,换热能力下降。整体上,当1?10?B o?7?10时,随Bo的增加,发生传热恶化,恶化情况逐渐增加;当7?10?B o?1?10时,传热恶化,但恶化情况逐渐恢复;当Bo?1?10时,传热能力增强,并逐渐增加。拟合了超临界压力正癸烷在旋转通道内受浮升力和旋转数影响下的变物性对流换热计算准则关联式。随旋转数的增加,前后缘换热能力差异增加,临界旋转数为0.06,此时前缘面发生流动分离,换热增强。提出了关于旋转数引起的前后缘换热能力差异的关联式。对于向心段:旋转条件下,由于哥氏力的作用,前缘面换热能力强于后缘面。随转速的增加,入口段长度减小,换热能力增强。旋转条件下,整体上随热流密度的增加,浮升力增强,换热能力增强;质量流量改变时,应该考虑雷诺数、旋转数和浮升力的相互作用。整体上,当1?10?B o?1?10时,传热恶化,但随Bo的增加,恶化情况逐渐恢复;当Bo?1?10时,传热能力增强,并逐渐增加。当Bo?5?10时,离心段换热能力强于向心段。拟合了超临界压力正癸烷在旋转通道内(向心段)换热时,由于浮升力和旋转数影响的变物性对流换热经验关联式。随旋转数的增加,前后缘换热能力发生变化,随Bo的增加,前后缘换热能力差异先增加后减小,最后后缘面换热能力强于前缘面,与离心段影响规律不同,此时临界旋转数约为0.06。拟合了关于旋转数引起的换热能力差异关联式。

关键词：旋转通道超临界压力正癸烷浮升力对流换热

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旋转状态下方形通道内部流场特性热线实验

航空动力学报 2016年第11期31卷 2635-2640页

作者：魏宽陶智邓宏武李海旺北京航空航天大学能源与动力工程学院航空发动机气动热力国家级重点实验室北京100191 先进航空发动机协同创新中心北京100191

为了解决旋转条件下热线技术应用问题并且在此基础上精确测量旋转方形通道内部流场特性,搭建了用于旋转通道流场测试实验平台,采用了两种连线方式对热线进行了标定实验,获得了热线测量旋转通道内部平均速度的相对误差为±6%,对雷诺数和... 详细信息

为了解决旋转条件下热线技术应用问题并且在此基础上精确测量旋转方形通道内部流场特性,搭建了用于旋转通道流场测试实验平台,采用了两种连线方式对热线进行了标定实验,获得了热线测量旋转通道内部平均速度的相对误差为±6%,对雷诺数和旋转数范围分别是5000-10000和0-0.222的旋转通道流场进行了测量,结果表明：旋转导致速度型整体向后缘面（Y/D=-0.5）偏转,X/D和旋转数越大,速度型偏转越明显;旋转数为0.222时,后缘面附近边界层速度型出现了一个拐点,可能与由哥氏力不稳定性引起的二次流有关.

关键词：旋转通道热线接线方式标定误差平均速度

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旋转带肋直通道湍流流动TR-PIV实验

航空动力学报 2021年第1期36卷 53-60页

作者：施锦程胡颂军由儒全李海旺夏双枝北京航空航天大学航空发动机研究院航空发动机气动热力国家级重点实验室北京100191 中国航空发动机集团有限公司湖南动力机械研究所湖南株洲412002 中国保利集团有限公司新时代科技有限公司北京100088

采用高频粒子图像测速系统(TR-PIV)测量了旋转带肋通道内的主流平均速度、雷诺切应力、再附点等参数,并研究其沿程变化规律,通道高宽比为1,肋的阻塞比为0.1,雷诺数为10 000,旋转数从0变化到0.52,实验结果表明:静止时流动呈对称分布,但... 详细信息

采用高频粒子图像测速系统(TR-PIV)测量了旋转带肋通道内的主流平均速度、雷诺切应力、再附点等参数,并研究其沿程变化规律,通道高宽比为1,肋的阻塞比为0.1,雷诺数为10 000,旋转数从0变化到0.52,实验结果表明:静止时流动呈对称分布,但旋转后产生的哥氏力会极大地影响通道内的湍流流动,随着转速的增加,主流速度型偏向后缘面,前缘面涡系结构不断增大,再附点不断后移,而后缘面正好相反,并且这种趋势会沿程发展;前缘面附近的雷诺切应力变得越来越弱,而后缘面则越来越强,沿程雷诺切应力极值基本不变,但下游区域有所扩大。

关键词：旋转通道高频粒子图像测速系统(TR-PIV) 旋转数主流平均速度雷诺应力再附点

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旋转光滑直通道湍流流动二维热线实验

航空动力学报 2017年第7期32卷 1577-1584页

作者：由儒全李海旺魏宽陶智徐国强北京航空航天大学能源与动力工程学院航空发动机气动热力国家级重点实验室北京100191 先进航空发动机协同创新中心北京100191

采用二维热线测量了旋转光滑直通道内不同流向位置上的平均速度和雷诺应力。实验结果表明:较高的当地旋转参数使得旋转对平均速度的影响区域扩大并且导致了前缘面附近湍流流动的再层流化。后缘面附近无量纲主流平均速度型严格按照旋转... 详细信息

采用二维热线测量了旋转光滑直通道内不同流向位置上的平均速度和雷诺应力。实验结果表明:较高的当地旋转参数使得旋转对平均速度的影响区域扩大并且导致了前缘面附近湍流流动的再层流化。后缘面附近无量纲主流平均速度型严格按照旋转数顺序依次排列,且在对数律区呈现对数律分布。与此同时,所有无量纲雷诺应力分量在后缘面附近基本不受旋转影响。再层流化导致了前缘面附近无量纲主流平均速度型无法在对数律区维持对数律分布,且所有雷诺应力分量都随着旋转数和流向位置半径增大不断衰减;经过u-v象限分析,再层流化现象的直接原因被归于湍流脉动生成减少。

关键词：旋转通道二维热线当地旋转参数平均速度雷诺应力再层流化

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旋转光滑直通道湍流流动一维热线实验

航空动力学报 2019年第3期34卷 556-566页

作者：江智耀李海旺由儒全北京航空航天大学能源与动力工程学院北京100191 北京航空航天大学能源与动力工程学院航空发动机气动热力国家级重点实验室北京100191 北京航空航天大学前沿科学技术创新研究院北京100191

采用一维热线详细测量了不同雷诺数下及较高旋转数条件下旋转光滑直通道内湍流边界层及主流的速度型,在此基础上构建适用旋转数范围更广的旋转通道对数律的修正公式,分析了旋转效应对壁面摩擦速度的影响。实验过程中雷诺数范围是15000～... 详细信息

采用一维热线详细测量了不同雷诺数下及较高旋转数条件下旋转光滑直通道内湍流边界层及主流的速度型,在此基础上构建适用旋转数范围更广的旋转通道对数律的修正公式,分析了旋转效应对壁面摩擦速度的影响。实验过程中雷诺数范围是15000～25000,旋转数范围是0～0.444。通道壁面为室温,流体与壁面之间无热交换。结果表明:旋转对于通道截面速度型影响很大;旋转导致速度型整体向后缘面偏转,但最高速度出现在靠近前缘面的区域;后缘面无量纲平均速度型分布顺序与旋转数排列次序相一致,在对数律区符合对数律规律。壁面剪切应力在前缘面随着旋转数的增大而先单调递减,而在后缘面的变化趋势与此相反。旋转状态下修正的对数律公式斜率随着旋转数的增加而单调递减且在后缘面递减的趋势逐步有所减缓,并提出了对数律区的旋转修正公式,公式的误差范围控制在15%以内。

关键词：旋转通道一维(1D)热线旋转数主流平均速度壁面剪切速度对数律

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涡轮叶片内回转肋通道强化传热数值研究

涡轮叶片内回转肋通道强化传热数值研究

作者：王涛兰州交通大学

学位级别：硕士

燃气轮机入口温度过高会导致燃气轮机涡轮组件出现安全问题,内部冷却通道通常用于保证涡轮叶片在安全温度内运行,其中增强涡轮叶片内部冷却通道的换热性能是保证燃气轮机安全运行最主要的方法之一。在冷却通道中,肋是影响通道性能的主... 详细信息

燃气轮机入口温度过高会导致燃气轮机涡轮组件出现安全问题,内部冷却通道通常用于保证涡轮叶片在安全温度内运行,其中增强涡轮叶片内部冷却通道的换热性能是保证燃气轮机安全运行最主要的方法之一。在冷却通道中,肋是影响通道性能的主要因素,通过对肋进行有效、可靠的设计改进,可以有效提高内部通道的冷却效率,有较大的发展潜力。本文利用Fluent软件对带肋回转通道的换热与流动进行数值仿真研究,通道进口雷诺数范围为10000～60000。通过对回转通道中的肋结构进行创新设计来进一步改善回转通道的换热性能,提出了新型的花形肋,研究了其换热和流动特性,获得了较好的换热效果。并逐步对花形肋进行优化设计,提升内部冷却通道的冷却效率。此外,通过对带肋通道在静止和旋转两种状态下换热与流动特性的研究,提出了增强通道冷却效率的设计方案,并获得了较好的综合换热性能,使涡轮温度降低以保证发动机安全运行。根据雷诺数的变化对通道截面上的温度、压力、湍动能分布及流场等进行了分析,给出了整个通道的平均换热系数和阻力系数,并对通道的综合换热性能进行评价,以确定静止和旋转状态下最佳的带肋通道参数。通过以上研究,获得的主要结论如下:(1)采用SST k-ω模型对静止状态下的花形肋、四分之一圆形肋和方形肋通道的换热性能进行了比较。研究结果表明,花形肋和四分之一圆形肋比传统的方形肋具有更好的传热和流动性能。具有曲面的肋能够有效地增强流动湍动能,有利于热交换,从而增强通道内的传热。此外,Nu与湍动能直接相关,湍动能越大Nu越大。在三种带肋通道中,新型花形肋能够有效强化通道的传热且压力损失最小,具有最佳的冷却性能。新型花形肋的Nu与方形肋相比最大增加了21.14%,f比方形肋小10.04%,其综合换热因子η更是高达2.02。(2)合适的节距能够平衡通道的换热与压力损失,提高通道的综合换热效果。因此,本文探究了花形肋的最佳节距。研究肋节距p与肋高e的比值对通道性能的影响,设计了p/e=5、p/e=8、p/e=10三种节距的花形肋通道。研究结果表明:p/e=8是花形肋的最佳节距,p/e=8的Nu相比于p/e=10增大了3.57%～6.09%,p/e=8的f相比于p/e=5减小了9.72%～13.32%。从综合换热效果看,p/e=8的η相比于p/e=10增大了0.82%～4.22%。(3)对花形肋的V型布置进行了探究,发现沿流向凹的V型肋有效增强了通道的换热性能且压力损失小,显著增强了通道的综合换热效果。在V型布置中,夹角为90°V型肋的传热性能优于60°V型肋,60°V型肋的流动性能优于90°V型肋,60°V型肋的综合换热效果优于90°V型肋。在四种模型通道中,模型4(p/e=8的60°V型肋)的综合换热效果最好,模型4的η比模型2提高了20.56%～24.89%,其η达到了1.73～2.04。(4)针对V型肋的换热特点,提出了低肋与V型肋(p/e=8的60°V型肋)组合的复合结构来增强通道换热,复合结构中的低肋为扇叶形肋、圆形肋、葫芦形肋,并将三种复合结构与p/e=8的60°V型肋进行了比较。研究发现,与纯V型肋通道相比,复合结构通道的传热性能均得到提升。在三种复合结构通道中,葫芦型肋复合结构的综合换热效果最好,葫芦形肋复合结构的Nu相比于纯V型肋提高了4.33%～6.6%,f比纯V型肋仅提高了0.04%～4.48%,葫芦形肋复合结构的综合换热因子相比于纯V型肋提高了4.16%～5.35%,其η更是最大达到了2.13。(5)采用Standard k-ε模型对4种不同参数的带肋旋转通道的流动与传热进行比较与分析。研究结果表明:旋转对通道的传热有着很大的影响,旋转对第一通道传热性能的影响较大,对第二通道的影响较小,第一通道的换热要明显强于第二通道。在旋转通道中,传热效果最好的节距是p/e=10,且45°斜肋布置要优于V型布置。45°斜肋减弱了旋转对换热的影响,增强了通道换热。p/e=10的45°花形肋的Nu比V型肋提高了6.88%～10.22%,f比方形肋通道小5.62%～41.27%,η比方形肋通道提高了5.48%～13.48%,p/e=10的45°花形肋旋转通道的η为1.27～1.37。因此,在旋转通道中,p/e=10的45°花形肋通道具有最佳的综合换热效果。

关键词：花型肋复合结构旋转通道换热性能数值模拟

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旋转状态边界层速度场及温度场特性实验

航空动力学报 2020年第12期35卷 2573-2582页

作者：李刚夫李海旺由儒全夏双枝北京航空航天大学能源与动力工程学院航空发动机气动热力国家级重点实验室北京100191 北京航空航天大学航空发动机研究院航空发动机气动热力国家级重点实验室北京100191 中国保利集团新时代科技有限公司北京100088

针对涡轮转子叶片内冷技术,使用TR-PIV(time resolved particle image velocimetry)技术与热线技术同步原位测量了壁面加热条件下旋转通道内边界层速度场和温度场特性。结果显示:旋转数大于0.48时前缘面附近出现了回流现象,并从受力分... 详细信息

针对涡轮转子叶片内冷技术,使用TR-PIV(time resolved particle image velocimetry)技术与热线技术同步原位测量了壁面加热条件下旋转通道内边界层速度场和温度场特性。结果显示:旋转数大于0.48时前缘面附近出现了回流现象,并从受力分析的角度给出了解释;回流区一般出现于流场下游、较大密度比、较高旋转数下,可以利用回流区的影响达到增强前缘面换热的目的;得到了旋转条件下无量纲温度型、温度脉动量和努塞尔数的变化规律,可以看出湍流边界层内部的温度场分布在旋转效应的影响下产生了强烈的不对称性,与静止条件下的标准规律相比会产生一定的偏差。

关键词：涡轮叶片冷却技术旋转通道湍流边界层热线风速仪 TR-PIV(time resolved particle image velocimetry)技术