带射流孔板扰流柱-微窝通道流动换热数值研究

利用Fluent-CFD软件对带射流孔板扰流柱-微窝梯形收缩通道的流动和换热特性进行数值研究,分析扰流柱和微窝排布对压力损失和换热强化的影响。研究结果表明,扰流柱-微窝结构有利于换热的强化,同时也导致通道内进出口压力降的提升。扰流柱-微窝的排布方式对于通道内的压力损失和换热强化有一定的影响,随着微窝直径和深度的增加,扰流柱-微窝结构的强化换热效果得到增强,综合冷却系数有一定幅度的降低。     

阵列射流-扰流柱复合冷却结构换热和压降特性数值研究

为研究阵列射流-扰流柱耦合换热结构对热端部件综合冷却效果的影响,采用数值模拟方法研究了阵列射流-扰流柱复合冷却结构的流动换热特性,重点关注扰流柱相对于射流孔的布置方式(顺排和叉排)、扰流柱直径d_p相对于射流孔的直径d_j之比(d_p/d_j=0.5,1,2)的影响。为体现阵列射流-扰流柱复合冷却结构的导热-对流强耦合传热过程特征,引入了靶板加热侧当量对流换热系数的概念,并分别采用冲击靶面对流换热系数和靶板加热侧当量对流换热系数进行了综合性能的评价分析。研究结果表明,采用绕流柱顺排和叉排方式的冲击靶面对流换热相较于光滑靶板分别增加约30%和10%,而扰流柱相对于射流孔呈顺排方式的对流换热效果要优于叉排方式,同时,顺排方式的压力损失系数却低于叉排方式。至于扰流柱相对于射流孔的直径比的影响,基于冲击靶面和靶板加热侧对流换热系数的综合性能评价存在显著的差异。     

带射流冲击短扰流柱排内的流动和损失

用五孔探针测量了带射流冲击的短扰流柱排内的流场，并用压力扫描阀测量了端壁和柱面的压力分布，分析了在涡轮叶片尾缘区内射流冲击强化扰流柱排通道内换热的机理，研究发现，带射流冲击时流动在靠近扰流柱表面附近速度较大，在对称中心区域有大片低速区，压力系数远远小于无射流时情况，气流经过孔板后压力系数迅速下降，达到最小值，沿流动方向压力系数逐渐恢复。随喷射雷诺数增大，扰流柱表面的分离点位置后移，总结出了实验工况范围内带射流冲击的短扰流柱排内压力损失系数与雷诺数之间的经验公式，便于工程实际应用。     

扰流柱形状对冲击冷却综合换热效率影响研究

为研究不同形状的扰流柱对冲击冷却系统的影响,对具有菱形、正方形、圆形以及椭圆形扰流柱的冲击冷却进行数值模拟研究,获得了射流Re在1×10~4～3×10~4内冲击靶板的换热特性以及通道内部流场的流动特征,分析冲击射流与不同形状的扰流柱之间的作用机理,并且为了综合考虑换热效果与流动阻力,使用综合换热效率来评价扰流柱在冲击冷却中的作用。研究结果表明:在冷却空气入口条件相同的情况下,菱形扰流柱靶板具有最高的平均努塞尔数Nu以及流动阻力,相比于正方形、圆形和椭圆形扰流柱,Nu分别提高了3.8%,8.9%,10.4%,流动阻力分别提高了9.6%,17.1%,21.3%。圆形扰流柱靶板的综合换热效率相比于菱形、正方形和椭圆形扰流柱分别提高了10.8%,4.9%,1.7%。扰流柱在冲击冷却中所起不同作用的主要原因是其与冲击射流作用后产生涡流的情况及其阻挡横流的能力。当综合考虑换热效果与流动阻力时,在所研究的4种扰流柱形状中,圆形扰流柱是最佳的选择。     

涡轮叶片尾缘出流对带叉排扰流柱阵列的内冷通道传热特性的影响

本文用实验的方法模拟研究了涡轮叶片尾缘出流对带叉排扰流柱阵列的内冷通道的对流换热特性的影响。实验模型通道为矩形通道,扰流柱的排列参数S_n/d为6.5,S_p/S_n为1.2,其中d为扰流柱的直径,S_n为扰流柱横向间距,S_p为2倍的纵向间距。矩形模型通道的长边与转轴的夹角为20°。研究了出流孔总面积A₀与通道最大截面积A的比值,雷诺数Re,转动数R₀等参数对传热特性的影响。并比较了尾缘出流与叶尖出流的换热特性。      

涡轮叶片弦中区扰流柱强化换热实验

针对涡轮叶片弦中区扰流柱支撑冲击导管的冷却结构建立实验模型,研究了随冲击雷诺数,横流射流密流比,冲击孔靶间距与冲击孔径比等参数的改变,叶片内壁面的换热特性变化规律.并与传统的弦向肋支撑冲击导管冷却结构的光滑壁面换热特性进行对比,重点研究了弦中区扰流柱的强化换热特性.结果表明:弦中区扰流柱明显降低了叶片前缘和前排冲击产生的初始横流削弱换热的负面作用,前缘或前排冲击产生的初始横流可以有效地增强其后部的换热努塞尔数,扰流柱支撑结构所表现出的换热效率优于传统的大间距弦向肋支撑结构.      

小高径比扰流柱冷却通道的换热和流动特性

采用数值模拟的方法,对涡轮叶片尾缘处圆形小高径比扰流柱冷却通道的换热和流动特性进行了研究,分析进口雷诺数和扰流柱间距对冷却通道换热和流动特性的作用过程.结果表明:进口雷诺数的提高能够有效改善冷却通道端壁的换热性能,但这种改善能力随着进口雷诺数的提高而逐渐减弱,同时降低冷却通道的压力损失系数.在两种扰流柱间距中,流向间距是影响端壁换热性能的主要因素,随着流向间距的减小,冷却通道换热性能逐渐变好,压力损失系数降低;横向间距是影响冷却通道流动损失的主要因素,两者大小成反比关系.在通道计算中,扰流柱平均换热性能约是端壁平均换热性能的1.8倍,端壁换热权重约是换热面积比0.824倍,同时该权重几乎不受进口雷诺数的影响.      

涡轮叶片尾缘梯形通道异形扰流柱流动换热特性实验

针对叶片尾缘梯形通道内叉排排列的圆形、椭圆形、水滴形和哑铃形扰流柱的流动换热特性进行了实验研究.研究结果表明:在相同的进口雷诺数情况下,水滴形扰流柱的通道压力损失最小,仅为圆形扰流柱的57%;圆形扰流柱和哑铃形扰流柱的换热效果差异不大,比椭圆形扰流柱的换热效果高约20%,比水滴形扰流柱的换热效果高25%左右;进口结构形式对流动换热特性的影响不是非常明显,双排小孔的挡板通道内压力较大,但是换热效果也相对较好.      

椭圆形扰流柱冷却通道流动与换热数值研究

采用数值计算方法对涡轮叶片椭圆形扰流柱排冷却通道的流动和换热进行了研究,得到了排列间距、迎角、椭圆长短轴之比等因素对冷却通道流动和换热性能的影响.在相同截面积和排列方式条件下,椭圆形扰流柱迎角为0°时,分析结果表明,椭圆形扰流柱冷却通道压力损失系数约为圆形扰流柱通道的51.7%,平均努塞尔数约为圆形扰流柱通道的83.75%;长短轴比为5/1.8时,压力损失系数仅为圆形扰流柱通道的(长短轴比等于3/3)28.1%～35.5%,平均努塞尔数为圆形扰流柱通道的71.1%～75.06%.      

不同形状扰流柱矩形通道内流动特性研究

 对内置有相同截面面积的圆形、椭圆形和水滴形等不同形状扰流柱叉排阵列的矩形通道流动过程进行了试验和三维数值模拟，获得了通道内流场的基本特征，分析了扰流柱形状和扰流柱间距对通道压力损失性能的影响。研究结果表明：在相同的扰流柱间距下，装有水滴形扰流柱阵列的矩形通道压力损失约为圆形扰流柱的50~60%；随着扰流柱阵列间距的减小，通道压力损失增加，改变横向间距引起的扰流柱阵列通道压力损失的改变要比改变流向间距更为显著。     

具有针肋的狭窄空间冲击冷却实验和数值计算

对具有全高度针肋扰流的狭窄空间冲击冷却进行了实验和数值计算,并与平板靶板冲击冷却传热性能进行了对比分析.射流冲击雷诺数范围为15000~30000.实验采用瞬态液晶热像技术获得了冲击靶板上详细的传热分布,并通过数值计算获得了冲击冷却系统中的流场和传热特征.实验研究表明:狭窄空间冲击冷却中的针肋靶板端壁上的平均传热性能比平板靶板提高约7.0%,压力损失提高约17.9%,并且针肋改善了靶板端壁上传热均匀性.另一方面,数值计算分析表明近壁面射流以及空间中的上洗涡流与针肋表面发生强烈相互作用,并且针肋显著地增加了换热面积,因此具有针肋扰流的冲击冷却系统具有显著增强的总体传热性能,比平板冲击冷却提高约27.0%.      

矩形通道内扰流柱形状对流动和换热特性影响的研究

利用试验和数值模拟两种方法对装有圆形、椭圆形和水滴形三种叉排扰流柱阵列矩形通道内流动和换热过程进行了研究,获得了通道内流场、压力场以及壁面温度场的基本特征,并对其强化换热特性和压力损失特性进行了对比分析。结果表明:装有水滴形扰流柱阵列的矩形通道压力损失分别为前两者的51%和95%,而恒热流壁面的平均对流换热系数相对于前两者而言分别降低了20%和7.9%,压力损失降低的幅度明显高于强化换热的减弱。综合性能评估表明,水滴形扰流柱是一种具有较好综合性能、替代常规圆形扰流柱的理想结构。     

具有气膜出流孔和针肋的双层壁冷却结构内的冲击传热性能

针对具有气膜出流孔和针肋的双层壁冷却结构内冲击传热性能进行了试验和数值计算研究。试验采用瞬态液晶（TLC）热像技术,研究的靶板包括光滑靶板、针肋靶板以及带气膜出流孔的针肋靶板。冲击间距比为1.5,射流雷诺数范围为15 000~30 000。结果表明,针肋+气膜出流孔结构明显改善了下游区域横流的影响,明显提高了传热性能,靶板表面传热分布也更加均匀。相比于平板,当射流雷诺数为15 000时,针肋靶板和带气膜出流孔的针肋靶板端壁表面平均Nusselt数提升幅度最大,分别为6.3%和25.3%。针对双层壁冷却结构内射流冲击传热还开展了数值计算,通过采用SST （Shear Stress Transport）k-ω湍流模型计算分析获得了该双层壁冷却结构内的流动和传热特征。     

收缩通道内水滴形扰流柱群的换热和压力损失特性

对装有三种不同截面的水滴形扰流柱叉排阵列的收缩通道内的流动和换热进行了三维数值模拟,获得了收缩通道扰流柱排内旋涡强度分布的基本特征,并根据流场分析了扰流柱形状对柱群压力损失性能和换热性能的影响,并与具有相同流动空间的矩形通道内的流动换热特性进行了比较.计算结果表明:在所研究的Re数变化范围内,收缩通道的端壁Nu_avr要高于矩形通道的,随着Re的升高,二者之间的差距有变大的趋势;收缩通道和矩形通道的压力损失系数差别很大,相同Re数下,收缩通道的压力损失系数约是矩形通道的34.5倍.      

梯形和矩形通道内短扰流柱排流动与换热计算

为了得到逐渐收缩的梯形通道内扰流柱排的流动换热的规律,对梯形通道内扰流柱排的端壁换热和压力损失进行了数值计算,并与矩形通道进行比较。计算结果表明:(1)梯形通道与矩形通道的端壁总平均换热系数相差不大,但是梯形通道内每排扰流柱的Nu数相差较大。(2)相同来流Re数条件下,梯形通道的压力损失系数远大于矩形通道。所以,在实际计算逐渐收缩的梯形通道内扰流柱排的平均换热时,可近似采用矩形通道内扰流柱的实验关联式,并且将每排扰流柱分别计算。在计算压力损失时,不能将梯形通道近似成矩形通道。     

斜劈式翼型扰流柱冷却通道流动与换热数值研究

基于NACA翼型和斜劈式纵向涡发生器结构设计了一种新型斜劈式翼型扰流柱及其在冷却通道内的排布形式,采用数值模拟方法对含有该种翼型扰流柱的涡轮叶片冷却通道流动换热特性进行了研究,得到了流场和温度场的详细特征及含有斜劈式翼型扰流柱冷却通道的换热能力。分析结果表明:斜劈式翼型扰流柱有良好的强化换热效果。该翼型扰流柱的斜劈式结构可以在其尾缘后方形成持久而稳定的二次流纵向涡,有助于加强流场的扰动作用,从而增强通道换热能力。      

水滴形叉排扰流柱阵列矩形通道内流动和换热数值模拟

运用数值计算的方法对具有水滴形叉排扰流柱阵列矩形通道内的流动和换热过程进行了三维数值研究,获得了通道内流场、压力场以及壁面对流换热的基本特征,并与具有相同截面积的圆柱形扰流柱进行了对比分析。研究结果表明:在本文研究的范围内,与圆柱形扰流柱相比,水滴形扰流的强化换热效果约下降约15%,但流动阻力却下降了近50%。      

扰流柱排内换热的实验研究

在来流雷诺数为2000～100000的范围内,对装有扰流柱排的矩形通道内的局部换热系数进行了详细的测量,得到了扰流柱排强化换热的规律,对强化换热的机理进行了探讨。      

旋转对小间距扰流柱通道内的流动换热影响

为了深入了解旋转对涡轮叶片尾缘扰流柱通道的流动换热的影响,在静止实验研究的基础上,用数值计算的方法研究了旋转情况下梯形小间距扰流柱通道内的流动结构和换热情况.数值计算结果表明:①旋转时沿着径向静压逐渐升高.靠近叶根的流量变小,而靠近叶片顶部的区段出流量变大.②在扰流柱区,旋转时迎风面和背风面的端壁换热都略有增强,但增强的幅度不超过7%,迎风面略高于背风面,但差别不大.沿着径向换热逐渐升高,靠近叶尖处的换热强而靠近入口叶根处的换热弱.