管网方法在双层壁冷却结构设计中的应用

为快捷有效地计算涡轮叶片双层壁复合冷却结构的冷却特性,将一套适用于气冷叶片换热模拟的管网耦合算法应用于所设计的双层壁内冷叶片上.结合冷却流路的一维管道网络算法以及壁面单元与对应外流场网格间的插值过程,形成HIT3D-Coolnet管网耦合程序,并参考有测量数据的涡轮叶片算例验证其模拟有效性.针对新型的双层壁冷却结构,在已有叶型的基础上初步构建3种配气方式的复合冷却方案.用HIT3D-Coolnet快速得到叶片外壁温度信息以甄选初始方案,借助全三维数值模拟分析初选方案双层壁结构内的流动特性,并据此采取措施改善初始设计.流场分析表明,导入腔内的冷却空气冲击腔壁,并在腔室空间内形成特定的旋涡结构,有效地强化了内部对流换热.在合理的冷气分配下,双层壁冷却技术可获得较好的冷却效果.     

层板冷却结构传热优化数值模拟研究

为研究层板强化换热机理，提高其内部换热效率以优化层板传热设计，在相同的两侧换热条件和冷气密流下，对孔径、通道高度和开孔率相同，但内部绕流形式不同的5种层板结构和1种双层壁结构进行了流固耦合传热计算，得到了其综合冷却效率，结果表明层板结构的综合冷却效率明显高于双层壁；冷气沿程吸热焓增带走了大部分从燃气侧进入层板的热，并且冷气与层板内表面的换热主要发生在出气板上；绕流柱的存在增加了换热面积，一定程度上增强了换热；合理设计绕流结构有利于改善层板的热均匀性。     

开孔率对纵向波纹隔热屏性能影响

对加力燃烧室纵向波纹隔热屏进行了三维流/热/固耦合数值模拟,研究了隔热屏开孔率对隔热屏流阻与换热特性的影响规律,得到了次流通道流阻系数、隔热屏热侧壁面气膜冷却效果与对流换热系数以及单位面积冷气用量随开孔率的变化规律.     

气流成网机纤维流通道的设计及应用:基于Fluent的数值模拟

为了获得纤维流通道内气流的流动和压力分布规律,使用Gambit软件对纤维流通道进行了三维建模以及网格划分;并基于Gluent有限元仿真软件对纤维流通道内部流场进行数值模拟,得到了纤维流通道内气流的速度分布图和压力分布图;通过分析得到速度分布图和压力分布图,可以说明基于Fluent对纤维流通道内气体流动的模拟仿真分析是可行的.     

折流板几何结构对换热器性能影响的数值模拟

应用标准k-ε湍流方程模型,使用压力修正的SIMPLE算法进行求解,对弓形折流板不同几何结构下换热器壳程的流动和换热性能进行了数值模拟,并对计算结果进行了分析.结果表明:换热器入口速度的增加会使折流板之间的高温区域减少、流动死区面积减少、换热器的有效换热面积增大;随着折流板间距减小,换热器的换热量随之增大,但是换热器的压降却明显增加,折流板换热器压降均随空气入口速度的增加呈递增趋势且会影响综合换热性能;折流板高度的增加对换热量有明显增大的作用,但是折流板增高会使壳程压降升高,从而造成了换热性能指标的下降.     

涡轮叶片前缘冲击气膜复合冷却的数值研究

采用数值研究的方法,对一典型航空发动机旋转状态下涡轮叶片前缘冲击气膜复合冷却的流动与换热特性进行了研究分析.计算模型将孔出流结构简化为缝出流结构,并由进气块、前缘块和尾缘块组成.通过对不同旋转速度的计算结果分析可以看出:对所研究的冷却结构,其流场与换热分布要受到哥氏力、离心力和浮升力的影响.在所研究的范围内,雷诺数较低时前尾缘冲击面的平均Nu数分布出现波动现象;在雷诺数较高时,前尾缘冲击面的平均Nu数分布随转速的增大单调减小.     

多斜孔截面面积变化对孔内流动与换热特性的影响

对多斜孔内部流通截面面积进行了对比分析,设计了5种流通面积沿程变化模型,分别为不变(圆柱型)、逐渐减小(渐缩圆台形)、先增大后减小(外凸形)、先减小后增大(内凹形)、逐渐增大(渐扩圆台形)。通过数值模拟研究了其对斜孔内流动与换热特性的影响。结果表明:多斜孔内部流通截面的变化使得其孔内气流压力、流动以及微团流动规律发生显著变化;在截面积由渐缩变为渐扩的过程中,流体微团在出口处转动方向由顺时针转为逆时针;流通面积的扩大使得压力沿程逐渐降低,在多斜孔出口下游形成低压区,出口气膜附壁性增强,气膜冷却效果增强;在多斜孔内,流通面积的扩大使得斜孔内壁背风面压力较大、流速较大、对流换热较强,斜孔内壁迎风面流体脱壁,换热较弱。     

水平矩形通道内开孔折流板强化换热的实验研究

Re数在500～15000范围内，对矩形通道内交错布置多个开孔折流板的强化换热特性进行了实验研究，分析了开孔密度对通道强化换热的影响，并与设置不开孔折流板通道的实验结果进行了对比分析．实验结果表明：开孔折流板具有较好的强化换热效果，随着雷诺数Re的增加，换热效果逐步增强；同未开孔折流板相比，开孔密度为2．51％的折流板的强化换热效果最好，在测试的Re数范围内，其平均Nu可以增加59％，最大可以提高到2倍．最后，在实验数据基础上，关联得出了一个换热准则关联式，可以用作开发新型换热器的设计计算依据．     

仿鲨鳃扰流结构的过渡段换热表面优化设计

借鉴长尾鲨鳃部呼吸作用时鳃弓的扰流特性及湍流发生机理,设计了带有肋式扰流结构的仿生换热表面,并建立了带有此仿生换热表面的过渡段双腔室模型。利用FLUENT仿真软件进行数值模拟,得到该过渡段冷却腔室内的温度场、速度矢量场及努塞尔数分布。采用全面试验设计建立了关于肋式扰流结构高度和宽度设计变量对换热表面的加权平均温度和最小压强的代理模型,通过粒子群优化算法获得此肋式扰流结构的最佳设计方案。结果表明,带有肋式扰流结构的仿生换热表面能够强化射流冲击冷却,可将过渡段冷却腔室内的冷却效率提升340%。     

质子交换膜燃料电池蛇形流场结构的数值模拟

为了研究蛇形流场结构对电池性能的影响,通过多物理场直接耦合分析软件COMSOL,建立了质子交换膜燃料蛇形流场三维阴极模型,分析了蛇形流场燃料电池中单、双、三蛇形结构流场对电池流场内压力分布的影响,验证了建立模型的有效性与可靠性;进一步研究在三蛇形流场结构基础上,蛇形燃料电池拐角处设计为直角、圆角两种结构时,对不同拐角结构流场内部以及拐点处流体流速进行了分析。研究发现：三蛇形流场的压力损失相对较小;蛇形燃料电池拐角处设计为圆角结构时,能更好的提高反应气体的流动与扩散,进而提高反应速率。     

Retrofit design of composite cooling structure of a turbine blade by fluid networks and conjugate heat transfer methods

This article discusses the development of the numerical methods of gas flow coupled with heat transfer, and introduces the fluid net-works method for rapid prediction of the performance of the composite cooling structures in turbine blade. The reliability of these methods is verified by comparing experimental data. For a HPT rotor blade, a rapid prediction on the internal cooling structures is first made by using the fluid network analysis, then an assessment of aerodynamic and heat transfer characteristics is conducted. Based on the network analysis results, three ways to improve the design of the cooling structures are tested, i.e., adjusting the cooling gas flow mass ratios for different inner cooling cavities, reducing the flow resistances of the channel turning structures, and improving the local internal cooling structure geometries with high temperature distribution. Through the verification of full three-dimensional gas/solid/coolant conjugate heat transfer calculation, we conclude that the modified design can make the overall temperature distribution more even by significantly reducing the highest temperature of the blade surface, and reasonably matching the parameters of different coolant inlets. The results show that the proposed calculation methods can remarkably reduce the design cycle of complex turbine blade cooling structure.     

燃气轮机火焰筒双耳孔冷却特性的分析

为进一步提高燃烧室火焰筒的冷却性能,提出一种具有更高冷却性能的双耳孔型气膜冷却结构。采用数值模拟方法对比分析吹风比在0.67～2.01时,传统圆柱孔、扩散孔、收敛孔、双耳孔的流动传热和冷却特性。计算结果表明：与其他3种孔型相比,冷却壁面长径比在0～40时,双耳孔出口冷却气流在高温主流作用下形成的肾形涡对尺寸较小,强度较弱,对涡中心的间距较大,且冷却气流横向分布更广,壁面换热系数比更低,提高了气膜冷却性能。在吹风比为2.01时,与圆柱孔相比,扩散孔的流量系数提高了13.7%,展向换热系数比降低了1.5%;收敛孔的流量系数没有变化,展向换热系数比降低了2.7%;但双耳孔的流量系数却降低3.1%,展向换热系数比降低了11.25%。在吹风比为1.33时,与扩散孔和收敛孔相比,双耳孔的流量系数更低,在长径比小于40时,双耳孔的换热系数比最低,冷却效果最好。     

Numerical simulation of HP rotor cooling configuration using parameterized method

This paper implemented cooling configuration design on certain gas turbine HP rotor using parameterized method.It is convenient for complicated gas turbine blade modeling using parameters and also benefit for the geometry modify in later period.Parameterized modeling is the foundation of air cooling turbine blade design method engineering application.Mesh quality can be awarded when generated complicated cooling configuration blade grids,and also the increase of calculation error can arise by many mesh blocks.Film cooling and serpentine passage can effectively enhance the cooling effectiveness and protect blade.     

平板气膜冷却热固耦合特性的分析

为分析气膜冷却方法的综合冷却效果和可靠性,采用热弹耦合的计算方法对带气膜孔平板的冷却过程进行数值模拟,获得平板内部温度和热应力的分布特征,比较不同吹风比和不同气膜孔型对冷却效果的影响。结果表明:内部冷却和金属导热使固体内部温度分布较为均匀,热应力集中在气膜孔的前缘和尾缘。与传统圆孔相比,扇形孔和双射流孔能够显著提高冷却效率并降低热应力。该结果可为燃气涡轮叶片的冷却设计提供参考。     

基于地道风空气源热泵间歇散热

对基于地道风空气源热泵应用的可行性进行分析,建立了地道传热温度场的数学模型和计算的内、外边界条件,进而对数学模型进行简化处理,并采用拉普拉斯数学方法计算求解,得到空气经地下风道传热的计算公式。随后建立地道传热环境的物理模型和边界条件,并采用数值计算软件FLUENT对物理模型进行数值模拟计算,将动态传热边界条件加入求解,然后将计算所得结果与实验实际测量取得的数据进行对比分析,得出基于地道风的空气源热泵冷热源间歇散热传热的特点,以及应用地下风道传热时要注意的关键问题。这对于地道风降温技术以及基于地道风的空气源热泵系统的传热研究有一定应用价值。     

外翅片铸铁管在低温空冷器中的应用探讨

为消除间隙热阻对传热造成的不利影响,采用自行设计的外翅片铸铁管制成空气冷却器,在较低温度下进行了冷却冷媒溶液的实验研究,验证了铸铁式空冷器的制冷效果.通过实验,得到了铸铁式低温空冷器在不同流量下的传热系数,以及在特定流量下的传热性能.实验结果表明,铸铁式空冷器的传热系数是随着管内工质流速的增加而增大的,并且增加的幅度是逐渐减小的.外翅片铸铁管消除了间隙热阻,换热能力较好,同时造价低廉,可以作为低温空冷器的散热管使用.     

Development of an aero-thermal coupled through-flow method for cooled turbines

The influence of complicated interaction between the flow field and heat transfer in cooled turbines becomes more and more significant with the increasing turbine inlet temperature. However, classical through-flow methods did not take into account the influence of the interaction caused by air cooling. The aerodynamic design and cooling design of cooled turbines were carried out separately, and the iterations between the aerodynamic design and cooling design led to a long design period and raised the design cost. To shorten the design period and decrease the design cost, this paper proposes a concise aero-thermal coupled through-flow method for the design of cooled turbines, taking into account the influence of the complicated interaction between the flow field and heat transfer in cooled turbines. The governing equations, such as energy equation and continuity equation in classical through-flow method are re-derived theoretically by considering the historical influence of cooling with the same method that deals with viscous losses in this paper. A cooling model is developed in this method. The cooled blade is split into a number of heat transfer elements, and the heat transfer is studied element by element along both the span and the chord in detail. This paper applies the method in the design of a two-stage axial turbine, of which the first stator is cooled with convective cooling. With the prescribed blade temperature limitation and the knowledge of the flow variables of the mainstream at the turbine inlet, such as the total pressure, total temperature and mass flow rate, the convergence of the calculation is then obtained and the properties of the flow field, velocity triangles and coolant requirement are well predicted. The calculated results prove that the aero-thermal coupled through-flow method is a reliable tool for flow analysis and coolant requirement prediction in the design of cooled turbines.     

发动机尾气温差发电装置

为了对发动机尾气中蕴含的高温能量进行回收利用,对基于温差发电的发动机尾气温差发电装置进行试验。首先基于现有发动机台架试验系统增加温度、电压和电流测量系统,在此基础上,通过测量不同内部结构集热器表面温度和排气噪声的变化得到集热器内部结构对温差发电性能的影响规律,通过测量不同冷却方式下温差发电片两端温度以及输出电压和电流的变化,得到散热器冷却方式对温差发电性能的影响规律。结果表明,集热器内部结构采用中空结构时,不同位置表面温度差在6 ℃以内,有利于保持其表面温度的均匀性,有利于电能输出,但是对于降低噪声没有帮助;采用强制风冷方式有助于提高温差发电装置两端温差,相对于自然冷却方式温差大约可提高14 ℃,从而提升输出电能,但是由于风速的提升可以同时增加冷端和热端的表面换热效率,使得较多的热量扩散到环境中,从而产生当风速达到某一数值后温差不变的现象;相比于侧面冷却,正面冷却方式更具有优势,大约将温差发电器两端的温差提升15 ℃,但是只能冷却一面。     

地铁用间接蒸发冷却器换热性能影响因素

为解决地铁站冷却塔设置难题,提出了一种采用低速电机驱动旋转布水装置的间接蒸发冷却器,在两种布置方式下,对其换热性能进行了单因素实验,并运用正交实验法对较优布置方式下影响换热器换热的因素进行了分析。结果表明：两种布置方式下,喷嘴与蒸发冷却器的间距、两组换热管束间距均存在最佳值,喷嘴双侧旋转布水优于单侧旋转布水;换热器平行气流布置且喷嘴双侧旋转布水为较优布置方式,此时,换热器换热量随喷水量、转速、空气速度、冷却水进口温度的增加以及喷水温度、空气温度的降低而增大,其中,冷却水进口温度对换热器换热影响最为显著,其他因素对其换热的影响从主到次顺序为：喷水量、空气温度、空气速度、喷水温度、转速、冷却水流量。