冲击-发散冷却火焰筒浮动瓦片三维壁温计算分析

论述了采用冲击-发散冷却技术的火焰筒浮动瓦片的传热计算分析方法,以及传热数学模型和边界条件处理.并采用ANSYS程序的热分析模块对浮动瓦片的三维壁温场进行了计算.计算结果与试验结果进行了对比分析,两者有较好的吻合性,计算值与试验值的相对误差不大于6%.

战斗机发动机涡轮叶片层板发散冷却技术的发展

与气膜冷却相比，发散冷却集冲击冷却、对流冷却和气膜冷却于一体，具有冷却空气消耗量少、冷却效率高、冷却空气注入壁面的速度慢、对主流的扰动小等优点，因而越来越受到重视。

孔径比与冲击距对冲击/发散冷却隔热屏冷却性能影响

为了获得孔径比与冲击距对冲击/发散冷却层板隔热屏冷却性能的影响,采用商用软件Fluent,基于加力燃烧室隔热屏的工况条件,对7组不同孔径比和7组不同相对冲击距的冲击/发散层板模型进行了三维流固耦合传热数值模拟研究,得到了层板隔热屏内部被冲击表面的Nu数、层板隔热屏气膜冷却表面的冷却效果、层板隔热屏的冷气消耗和冷流体热负荷的变化规律,其对层板隔热屏的设计具有参考价值。结果表明,Nu数与冷却效果均随着孔径比的增大而增大,随着冲击距的增大而减小。其中随孔径比增大,平均冷却效果值最大增大40.5%,随冲击距增大,平均冷却效果值最大减小3.27%。

多孔多层板发散冷却特性(一)直通道

多孔多层板发散冷却技术是解决现代高性能燃气轮机冷却问题的有效途径。针对Lamilloy类型的 3层多孔层板结构 ,以层板单元为对象 ,进行了直通道内多孔多层板流动换热特性的数值模拟研究。结果表明 ,层板单元内流动换热关于对角面对称 ,各层板间隙内流动结构基本相同。流体在层板间隙内经历了小孔高速射流冲击板面及绕过支撑凸台向下一层板小孔汇流的过程。层板内换热非常强烈 ,换热最强的部位在冲击射流滞止区。

多孔多层板发散冷却特性 (二)横流作用

针对Lamilloy类型的3层多孔层板结构,对有横流存在的多孔多层板的流动换热特性进行了数值模拟,考察了层板结构内的流动和壁面换热特性及层板热侧横流中的复杂流动换热现象,分析了多孔多层板发散冷却特性和流动换热机理。结果表明,多孔多层板发散冷却高效且均匀,层板结构内部的流动换热特性受横流影响很小,层板内强烈的冲击和对流换热是层板高效冷却的关键因素,如增大层板热侧开孔孔径或采用斜孔,可以进一步改善发散冷却效果。

多斜孔层板发散冷却流动传热特性

针对不同孔排数的 3种孔板结构 ,进行了多斜孔全气膜发散冷却流动换热特性的数值模拟研究 ,通过考察气膜层流场与层板冷效 ,分析了多斜孔层板内复杂的流动换热效果。结果表明 ,小孔射流在层板表面形成稳定的气膜 ,A型孔板孔板温度较为均匀 。

发散冷却模型试验件换热系数试验研究

在模拟航空发动机火焰筒冷却孔相对压降条件下,采用动态法对火焰筒发散冷却模型试验件换热系数进行了测量,并介绍了其试验设备、试验原理及试验过程。通过测量三种单层发散冷却板及与之相配的双层壁发散冷却火焰筒模型试验件的换热系数,得出了主次流相对静压降、冲击高度、开孔率对火焰筒发散冷却性能的影响规律。试验结果同时证实,双层壁发散冷却结构在提高火焰筒冷却性能上具有一定优势。

平板冲击发散冷却流动与换热特性的数值模拟

采用ANSYS-CFX商用软件对模化平板冲击发散冷却结构中的流动与换热特性进行了数值模拟,对比了有、无固体域时冲击发散冷却的冷却效率,分析了不同吹风比时气体的流动结构、涡强度、综合冷却效率和流动效率的变化,分析了固体导热系数对冷却效率的影响。结果表明:冲击发散冷却同时具有冲击冷却和气膜冷却的优点,可以有效保护壁面;当吹风比增大时,冲击冷却的效果增强,肾型涡强度增大,气膜冷却效果减弱,但冲击冷却的影响优于气膜冷却,所以其综合冷却效率仍然提高了;气膜冷却部分有最大的局部压力损失系数,当吹风比增大时,总压力损失系数增大,流动效率下降;当固体导热系数增大时,冲击冷却的影响增大,综合冷却效率提高。该结果可为进一步冷却燃气轮机内工作部件提供参考。

带起始气膜的大弯管发散冷却特性的数值研究

针对带起始气膜的大弯管发散冷却特性开展了三维数值模拟,对有无起始气膜的大弯管发散冷却结构进行了对比分析,并开展了主流速度、开孔率等参数对带起始气膜的大弯管发散冷却特性的影响研究。结果表明:带起始气膜的大弯管发散冷却结构能有效地改善无起始气膜的大弯管发散冷却结构前端冷效低的缺点,显著提高了大弯管整体的温度分布均匀性,平均综合冷却效率可提升10.8%~15.4%;主流速度的增大会增强主流与大弯管壁面的对流换热,引起壁面温度升高;开孔率的增加使得大弯管整体的综合冷却效率呈上升趋势,单位面积冷气流量的增加减小了开孔率变化带来的差异。

发散冷却和前缘槽缝射流作用下涡轮静叶端壁流动结构的研究

数值研究了无发散冷却与3种发散冷却气质量流量比下的涡轮静叶端壁附近涡结构、总压损失系数和端壁、叶表绝热冷却有效度以及两种冷却气在端壁上的流动结构。研究表明:发散冷却气质量流量比由5%增加至7%时,进口截面端壁附近的总压峰值升高3.7%,峰值区流体在叶片前缘滞止后向上卷起形成冲击涡;发散冷却流量增加会增强冲击涡而吸力面角区涡对被削弱。低流量冷却气会使整体总压损失降低,而发散冷却气质量流量比由5%升高至7%时总压损失增加4.5%。发散冷却气注入时,冲击涡会将冷却气携带至叶表,在压力面形成显著的泛冷却效果;发散冷却气质量流量比增加至7%会使冲击涡纵向伸长并分裂出三次涡。发散冷却贡献占比的计算结果表明,边界层分离线上游端壁由槽缝射流冷却气覆盖,而叶表和下游端壁的冷却由发散冷却主导。静叶端壁流动结构受到上游燃烧室内壁发散冷却的显著影响,并将改变端壁冷却特性。

发散冷却与槽缝射流对涡轮静叶端壁气热性能影响的研究

燃烧室壁面发散冷却气流影响下游涡轮静叶端壁的气热性能。采用数值求解三维RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes)方程和SST湍流模型的方法研究了燃烧室壁面发散冷却和前缘槽缝射流作用下的涡轮静叶端壁流动结构和传热冷却特性。分析了3种发散冷却流量质量比和3种前缘槽缝射流质量流量比下的涡轮静叶端壁绝热冷却有效度、静叶叶片泛冷却特性和叶栅流动结构。研究表明:在3种发散冷却气质量比工况下,槽缝射流质量流量比由1.0%增加至1.5%时,整体绝热冷却有效度可至少提升60%,且叶片前缘与压力面角区也得到充分冷却;发散冷却质量流量比增加会改善叶栅出口下游部分端壁冷却效果。上游发散孔流量大于下游孔且槽缝吸力面侧局部吹风比高于滞止点附近位置,发散冷却与槽缝射流流量增加能够减小冷却气流量局部差异。发散冷却与槽缝射流流量增加会削弱马蹄涡,增强空腔涡,并对二次涡产生影响,从而改变冷却气流覆盖特性;提高冷却气流量会使总压损失增加。静叶端壁气热性能的研究需要考虑上游燃烧室壁面发散冷却的影响。

弯曲壁面冲击加发散冷却结构的冷却效果实验研究

为了研究双层壁压降分配对弯曲壁面冲击加发散冷却效果的影响,针对回流燃烧室大弯管双层壁冷却结构,保证相同当量开孔率通过调整冲击孔壁和发散孔壁的有效开孔面积之比得到了不同压降分配的冷却方案,并提出了一种六边形排布方式,选取4种冷却结构进行了冷却效果实验研究。研究表明:在相同的冷热侧进气条件下,冲击孔壁压降分配比例由19%增加至71%时,常规菱形排布结构的平均冷却效率可以提高29%,而六边形排布结构的平均冷却效率可以提高36%以上;另外,加温比对冷却效率影响较小。

发散冷却最小冷却介质注射量的数值研究

充分发挥材料本身的抗高温能力,以最小的冷却介质注射量,确保推进器不被烧蚀是发散冷却系统的设计目标.本文用一维可压缩、非稳态、局部非热平衡模型,数值研究了瞬态冷却过程及最小冷却介质注射量的依赖参数.数值研究表明:研究瞬态的冷却过程十分重要,因为尽管当冷却过程达到稳态以后热端温度在烧蚀点以下,但在进入稳态之前可能已经发生烧蚀;多孔介质骨架材料的初始温度越高、特征尺寸越大,冷却介质需要量越大;在仅考虑冷却效果的前提下,孔隙率越大,冷却介质需要量越大;相反,骨架材料导热系数越高,冷却介质需要量越小.

冲击/逆向对流/发散冷却与冲击/发散冷却的冷却效率对比

为解决燃烧室火焰筒下游壁温过高的问题,对冲击/逆向对流/发散冷却和冲击/发散冷却的综合冷却效率进行对比分析。结果表明:冲击/逆向对流/发散冷却降低了上游1/3区域的冷却效率,强化了下游冲击换热,提高了下游2/3区域的冷却效率;起始气膜可以有效弥补冲击/逆向对流/发散冷却在上游发散孔的冷却效率,提高了整体冷却效率。

气膜-发散冷却结构冷却效果的实验研究

为了研究气膜-发散组合冷却结构的冷却特征,设计了5种组合冷却结构形式,采用实验的方法对气动参数和几何参数对冷却效率的影响规律开展了研究,结果表明:(1)由于气膜的存在使得发散冷却的起始段冷却效率有很大的提高,极大提高了发散冷却结构的整体冷却效率;(2)随着发散孔纵向间距的增大,发散段整体冷却效率逐渐降低,但对发散冷却起始段的影响不大;(3)发散孔复合角对冷却效率对冷却效率的影响随吹风比的变化而变化,在小吹风比时,45°复合角的冷却效率最高;在吹风比较大时,在发散冷却段的中后部,0°复合角的冷却效率最高。

环形燃烧室冷热态发散冷却性能的对比实验

针对燃烧室发散冷却性能的研究,设计了3头部扇段模型燃烧室进行冷热态对比实验.通过对模型环形燃烧室内外环面上的温度进行测量,讨论冷热态时综合冷却效率分布差异,并考察了冷却空气量与主流空气量之比对综合冷却效率的影响规律.结果表明:发散冷却在冷热态时的综合冷却性能差异显著,主要是由于燃烧反应的发生改变了燃烧室内流场和温度场,进而引起壁面热负荷变化;无论冷态还是热态,在旋流主流的作用下,内环面上的发散气膜相比于外环面更易吹离壁面.随着无量纲流量比的增加,面积平均综合冷却效率均随之增加,但增加幅度逐渐降低.

发散冷却控制烧蚀过程的数值研究

用数值方法模拟了发散冷却控制结构烧蚀的瞬态过程,同时考虑了线烧蚀和体积烧蚀两种现象对多孔介质骨架高温表面的质量损失和冷却效果的影响,并讨论了高温主流携带的热流强度、冷却介质注入的初始速度和温度、及多孔材料骨架初始温度在控制烧蚀过程中的作用.

狭缝喷注-发散冷却的综合冷却效果数值研究

为了研究发散孔阵列上游设置狭缝喷注的狭缝喷注-发散冷却组合方式的综合冷却效果,采用数值模拟方法对其冷却效果进行了研究,并在相同的冷却空气流量下与纯发散冷却方式进行了对比分析。结果表明:狭缝-发散孔组合冷却方式显著改善了发散孔阵列前区的冷却效果,平均冷却效果可以提升12%~16%;该组合冷却方式因狭缝喷注的分流而使得发散孔吹风比相对纯发散冷却有所减小,导致在小吹风比下发散孔下游区域的综合冷却效果低于单纯发散冷却结构,而在吹风比较大时,组合冷却方式与单纯发散冷却结构在发散孔阵列后区的综合冷却效果基本一致;随着狭缝高度的增加,发散孔阵列前区的综合冷却效果有所增强,而在发散孔阵列后区,综合冷却效果却略有下降。

发散冷却火焰筒壁温的数值方法

本文提出一种计算发散冷却火焰筒壁面温度的数值方法和相应的计算机程序;通过计算,可求出火焰筒的轴向壁温分布和热流分布。

金属丝网发散冷却与颗粒沉积关系探究

在所开展的发散冷却试验中,用金属丝网实现发散冷却结构,选用固定熔点的石蜡液滴,模拟发散冷却叶片上炭烟颗粒沉积的物理过程。通过调节发散冷却吹风比和主流温度,在一系列喷雾时间下,模拟产生沉积物。借助红外热像仪获取了金属丝网表面温度分布,利用光学扫描系统获得了沉积物的堆积分布和堆积厚度。研究结果表明,颗粒沉积会降低发散冷却效率,且沉积厚度将对冷却效率的变化产生影响。