内部通道肋片结构对Mark Ⅱ叶片冷却性能影响的降维模型研究

一维冷却通道气热耦合计算是分层涡轮叶片冷却结构设计的重要方法。发展了以管道网络算法为核心的内部冷却特性计算程序,并与三维传热计算进行了耦合。通过与MarkⅡ叶片特定实验工况下的结果进行对比,验证了方法的有效性。此外,进一步将带肋结构流道传热特性相关经验公式集总在一维气热耦合算法中,分析了带肋通道改型的MarkⅡ叶片冷却性能。结果显示,带肋结构相比光滑流道能显著提升换热性能,在中径截面处较原方案温度下降15～30 K。     

燃气透平叶片3种出气边冷却结构中流动与传热性能的比较

本研究通过流热耦合计算和实验验证,比较了圆柱排孔与两种劈缝的出气边冷却结构,在不同雷诺数和冷气质量流率下的流动与传热性能。结果表明:圆柱排孔流阻偏高,受供气压力限制,冷气流量不足,冷却效果下降,造成出气边烧蚀。叶片出气边压力面开设劈缝结构降低流阻,提高了冷气流量。劈缝内采用弦向肋和扰流柱结构强化换热,提高冷却效果。在相同冷气流量下,劈缝结构所需的流动压差明显下降,叶栅叶片的尾迹宽度也减小,对降低下游叶栅的流动损失和表面传热是有利的。     

蜂窝内冷通道布局对叶片冷却效率的影响研究

为提高涡轮叶片耐温能力,将蜂窝冷却通道应用于涡轮叶片内部,通过流热耦合计算研究蜂窝冷却通道叶片的传热流动特性。对蜂窝冷却通道的参数化方法进行研究,将蜂窝通道拆分成两种基本结构单元,即可方便调整蜂窝通道的几何参数;使用增材制造的叶片进行实验,通过对比数值计算与实验的冷却效率,验证了数值方法的准确性;在冷却二次流占比1%条件下,在原型蜂窝通道的基础上进行蜂窝通道空间布局和直径分布的调整,利用冷却效率、压降及相对阻力系数衡量不同通道的流动传热特性。研究表明：蜂窝通道由于增大换热面积以及增加分叉点强化换热,冷却效率提高到0.525,压降升高至229.1 kPa;通过调整蜂窝几何参数可以优化蜂窝通道的传热与阻力特性,通过增加蜂窝通道层数、增大次通道直径可以提高冷却效率,通过增加蜂窝通道入口数、增大主通道直径可以减小压降。     

燃气轮机高温叶片内部冷却技术概述

综述了燃气轮机典型的内部冷却结构和设计手段.通过文献分析,提出内部冷却典型强化换热手段包括带肋通道冷却、扰流柱冷却和冲击冷却,重要设计手段包括一维管网和三维数值优化.管网计算基于实验总结的经验公式,计算效率高,关键在于动量方程的求解算法;三维数值优化可以降低设计对人工经验的依赖,关键在于合理选择优化目标和优化算法.分析表明,旋流等新的强化传热形式、微型冷却等新的叶片冷却模式、旋转和真实通道几何对内部冷却详细传热和流场的影响都将得到进一步研究,叶片设计技术将由人工经验性的设计逐渐向计算机自动化方向发展.     

烟气轮机动叶轮盘冷却共轭传热数值分析

使用CFD方法,对带有蒸汽冷却的某烟气轮机动叶轮盘进行热-固耦合数值分析。轮盘温升与其周边流场与温度场的耦合计算采用CFX的共轭传热方法,忽略热辐射影响,将流体域与固体域内的传输方程进行耦合求解,通过能量方程平衡流体和固体界面上热流,实现了流场与温度场的耦合数值分析。计算结果揭示了烟气轮机轮盘处复杂流动中烟气、冷却蒸汽对轮盘气动加热特征,并给出了冷却蒸汽对动叶轮盘温度场分布的影响规律。     

基于管网计算的涡轮叶片冷却方案设计与验证

管网计算方法可以快速分析涡轮冷却叶片的对流换热特性,非常适合用于冷却方案的设计.基于校核后的管网计算提出了一种涡轮叶片冷却方案设计方法.针对已有涡轮冷却叶片,通过和三维CFD计算的对比分析,校核了管网计算方法的精度.在此基础上,依次通过冷却通道、局部冷却特征设计,进行了涡轮叶片冷却方案设计,并进行了三维CFD分析验证....     

带有热障涂层的涡轮叶片前缘气热耦合数值研究

采用气热耦合的数值计算方法以及考虑转捩的湍流模型,对采用热障涂层技术的某型气冷涡轮叶片前缘传热进行了数值研究.结果表明,由于热障涂层的高绝热性,热障涂层一方面大幅提高叶片的抗氧化和抗热腐蚀的能力,另一方面配合高效的冷却技术,可以降低金属叶片的工作温度和叶片内的温度梯度.     

大功率汽轮机凝汽器汽相流动与传热特性的数值分析

介绍凝汽器汽相流场与传热特性的数值计算方法及算例分析。该计算方法采用多孔介质模型，以分布阻力和分布质量汇分别模拟冷却管束区的蒸汽流动阻力和凝结效应，利用控制容积积分法及解压力耦合方程的半隐式方法数值求解控制方程组，得出汽相速度、温度、压力、空气浓度、传热系数及热负荷等重要参数的分布。经试验研究表明，该方法能较好地预测凝汽器的工作特性以及管束布置对汽相流场和传热特性的影响。图９参８。     

某重型燃机透平动叶冷却结构设计

在对某重型中低热值燃机透平动叶冷却结构分析的基础上,采用流体计算软件建立气热耦合计算模型,完成叶片内外部流场和温度场气热耦合计算,并对冷却结构的换热效果进行分析,在不增大冷却流量的前提下增加湍流结构提高了叶片的冷却效果。     

基于圆管层流对流传热模型的温度场推算三元非共沸混合物组分方法的研究

给出了一种利用测定圆管对流传热温度场求解确定成分的非共沸混合物的组分的方法。基于定压力条件下液体低雷诺数圆管层流充分发展段流体力学特性,利用数值方法求解变热参数对流传热模型温度场特性,采用反问题方法对对流传热控制方程的热参数进行非线性模拟和反算,通过反演计算热参数得到物质组分的定量值。对非线性热参数条件的对流传热控制方程和反问题L-M方法进行了误差分析,通过试验比较,测定了对流传热过程温度场的理论计算组分与预设的组分。结果表明,测定温度场推算的非共沸混合物组分与实际测定结果满足预设误差。     

基于钻孔内多极模型的岩土热物性参数评估方法

为准确评估地埋管换热器设计中岩土热物性参数,该文基于钻孔内解析传热模型和钻孔外数值传热模型,提出一种岩土热物性参数评估方法。该方法通过钻孔壁面温度耦合钻孔内外换热,求解流体平均温度,在此基础之上采用单纯形法寻优求解岩土导热系数、热扩散系数及钻孔热阻。并结合实际工程的地源热泵系统热响应测试实验,验证该方法的准确性。相比于纯二维数值模型和p(t)-liner纯解析模型,该方法计算所得的流体出口温度更加接近实测值,其均方根误差分别为0.115、0.252和0.193℃。同时,相比于常用的二维模型,当钻孔内热阻采用多级模型计算时,能够提高计算精度,钻孔热阻误差减少3.9%。     

湍流_转捩模型对气冷涡轮气热耦合计算影响的对比研究

开发了基于三维非结构网格的导热求解程序,将数值解与解析解对比验证了加权最小二乘法相对于格林函数法在求解梯度时具有更高的精度,将基于加权最小二乘法的三阶精度的导热程序与叶栅流场计算程序HIT-3D耦合,实现了气热耦合计算,对MARKII叶片5411实验工况进行了数值模拟,并借助于HIT-3D程序具备的湍流模型研究了转捩对传热计算的影响。结果表明:BL模型预测的温度与实验值相差最大,在转捩点相差10%,BL+AGS转捩模型、SST-Gama模型、q-ω模型由于具备模拟转捩的能力,因此在转捩区计算的温度误差较小,约5%,可见考虑转捩的湍流模型能更好地预测涡轮叶片的温度。     

双层壁叶片的模型化方法与冷却设计流程研究

提出了一种适用于双层壁叶片的冷却设计流程。沿叶片的叶高和流向抽象提取出简单冷却单元,对其建立一维管网模型并进行多次管网计算,得出各个单元最优的冷却结构方案。将设计好的冷却单元映射回实际叶片中,并对叶片建立一维管网模型,经过多次冷却结构调整与计算迭代,得到叶片初步的冷却结构。对该叶片进行三维气热耦合计算,只需要局部冷却结构微调和少量的CFD计算,就可以得出最终的冷却设计方案。最终设计的叶片CFD计算得到的平均温度为1 049 K,总冷气量为0.288 kg/s,与管网计算结果1 059 K和0.337 kg/s相近。该设计流程方法简便,准确性高,人工工作量和仿真计算量小,优于传统的涡轮冷却设计流程。     

喷油冷却活塞传热过程的流固耦合分析

应用ANSYS Fluent软件建立发动机活塞及其冷却结构三维瞬态流-固-热耦合模型,通过燃烧计算得到燃气平均温度与平均传热系数,作为燃烧室壁面热边界;活塞及其冷却结构采用流固耦合计算,使用两相流流体体积(VOF)模型与动网格模拟活塞喷油冷却过程;通过瞬态传热数值仿真,得到活塞振荡油腔流场云图、油气分布云图、冷却油腔传热系数及活塞温度分布,与标定工况下活塞温度测试数据对比分析,研究结果表明:仿真结果与测试数据误差在5%以内,由此说明应用活塞流-固-热耦合仿真方法可以较好模拟柴油机活塞及其冷却结构瞬态传热。     

进口温度不均匀对涡轮叶片热应力的影响

针对航空涡轮叶片的温度场预测问题,采用CFD(computational fluid dynamics)软件和有限元计算理论与方法,以对流冷却叶片的温度场与热应力求解为例,分别计算了涡轮进口温度均匀和不均匀时叶片的温度场和热应力,分析了涡轮进口温度不均匀对叶片热应力的影响,其中叶片温度场的求解采用气热耦合的方法即直接应用CFD软件计算叶片温度场,再依据温度场进行了有限元热应力分析.结果表明,进口温度不均匀时比进口温度均匀时叶片的热应力增大10%左右.     

涡轮导叶冷却结构设计及性能分析

按照涡轮传热分层设计流程,对某型燃气轮机高压涡轮导叶进行了冷却结构设计。利用管网设计方法快速得到符合设计要求的基本冷却结构,采用UG建模与自编程序相结合快速生成实体模型,并选取两种典型冷却方案进行全三维气热耦合计算。计算结果表明：两种冷却方案总冷气量基本相同时,前腔冷气流量更大的方案2满足设计要求,其前腔无量纲流量为0.052 7,后腔无量纲流量为0.049 4,叶片表面无量纲平均温度为0.666 7,无量纲最大温度为0.737 1;增大吸力面“簸箕”形状气膜孔的冷气流量,可以有效降低吸力面中后部高温区域的温度;利用管网设计可以快速搜寻合理的冷却结构方案,该设计方法显著地缩短了设计周期。     

气膜冷却平板通道的数值模拟

对无肋和带45°肋气膜冷却平板通道的三维对流换热与导热耦合传热问题进行了数值模拟。网格划分采用非结构化网格,湍流模型为SSTk-ω模型,近壁处采用壁面函数法,采用SIMPLEC算法求解速度和压力的耦合。计算获得了无肋和带45°肋气膜冷却平板的流场分布和平板内外表面的平均温度和平均换热系数。计算结果表明,带45°肋的气膜冷却平板表面平均温度较无肋气膜冷却平板表面平均温度低,而近气膜孔区域冷、热表面平均换热系数较无肋时高,而且肋的存在对增大冷空气出流比有利。     

车用内燃机冷却系统动态传热模型

提出了一个基于集总参数法的车用内燃机冷却系统动态传热模型。考虑了内燃机燃烧室、散热器和水泵的传热和冷却系统的工作,建立了机体、散热器、水泵与冷却介质之间的热耦合计算公式。对一台单缸柴油机冷却系的稳态及动态温度进行了计算,结果证实该模型可用于内燃机冷却系统的动态传热特性研究。     

起动过程涡轮叶片瞬态温度场的准稳态处理研究

考虑燃气涡轮发动机起动过程涡轮叶片与高温燃气的对流换热及叶片内部的热传导,通过瞬态流热 耦合计算和准稳态处理两种方法对涡轮叶片换热特性进行了研究,分析了叶片热惯性带来的温度滞后效应, 探索了一种对发动机起动过程进行准稳态处理的数值模拟方法,实现了对涡轮叶片瞬态温度场的快速求解。采用商业化软件ANSYS CFX 2019 R2对涡轮叶片分别进行流热耦合和非定常数值计算,结合外换热程序 “NPUSTAN7Z”求解叶片型线上的换热系数,并对叶片表面网格节点按照“K-近邻算法”进行三维数据插值, 得到计算涡轮叶片非稳态导热的第三类边界条件。分析涡轮叶片的瞬态温度场,发现起动过程中金属叶片 的热惯性导致其温升慢于来流的温升,其内部存在一定的纵向温度梯度和横向温度梯度,中弦滞后 > 前缘滞 后 >尾缘滞后,叶片中下部温度滞后 > 叶片上部滞后。通过对比瞬态耦合计算与准稳态计算的结果,认为准 稳态的方法可以快速准确地求解发动机起动过程涡轮叶片的瞬态温度场。     

基于沸腾模型的内燃机缸盖多场耦合传热

通过车用天然气发动机,建立了包括冷却水腔内流动沸腾传热、气缸盖内固体导热及缸内进排气燃烧在内的多场耦合仿真系统.采用直接耦合算法进行气缸盖固体区域与冷却水腔流体区域流固耦合仿真,采用顺序映射的方式进行缸内燃气区域与流固区域多场耦合仿真.通过CFD软件中UDF功能嵌入合适的单相沸腾传热模型对缸盖水腔内传热进行分析计算,并在此基础上结合试验测量结果,对比分析发动机在不同冷却水温度与不同冷却系统压力下缸盖温度场变化趋势.研究表明:多场耦合仿真系统可以解决缸盖传热边界不易给定的难题,能够更真实准确地描述出缸盖复杂传热过程,且考虑沸腾传热因素后有助于提高在不同冷却条件下缸盖热关键区域温度场的计算精度.