不同冷却工况下90°带肋通道中蒸汽的强化换热特性研究

在蒸汽强化换热试验研究的基础上,采用SSG雷诺应力模型,通过数值方法求解了三维定常雷诺时均Navier-Stokes方程,同时系统地分析了雷诺数、温度和压力对蒸汽在90°矩形带肋通道中流动和换热的影响.结果表明:温度和压力的变化强烈地影响着带肋通道中蒸汽的强化换热特性,蒸汽的摩擦因子和换热系数随着温度的升高而减小,随着压力的升高而增大,在适中的Re、较低的蒸汽温度和中等压力下,蒸汽流动可以获得最佳的强化换热性能;蒸汽和空气的换热系数比与温度和压力有关,但与Re无关.

燃气透平叶片树状分形内冷微通道的换热特性实验研究

针对燃气透平叶片内部对流冷却特点,基于能量输运原理和分形几何理论生成了适用于叶片内部流体输运的分形网络,并设计了4级T型树状分形分叉微通道内冷结构。在建立的透平叶片内冷微通道对流冷却实验平台上,研究了通道进口雷诺数和加热功率对空气的努塞尔数、摩擦系数和强化换热因子的影响。结果表明:当雷诺数从194增大到19 400时,空气的平均努塞尔数增大148.5%,摩擦系数从0.78减小到0.009,最大强化换热因子在通道进口雷诺数为17 300时获得;加热功率从10 W增大到110 W时,平均努塞尔数降低35.9%,而摩擦系数几乎不变,加热功率为10 W时具有最佳的强化换热特性;分叉结构耦合共轭传热效应显著提高了第2、第3级微通道的当地努塞尔数;相比于前3级通道,末级通道的换热性能受雷诺数和加热功率的影响更为突出。

凹坑-树状分叉微细通道换热特性的数值研究

通过求解三维雷诺时均N-S方程和SSG雷诺应力模型,数值研究了透平叶片内部树状分叉微细通道中的流动和换热特性,着重分析了壁面凹坑结构对通道强化换热特性的影响。研究表明:在本文研究结构下,通道分叉引起的纵向涡二次流和凹坑引起的分离涡二次流是通道换热得到强化的主要原因。蒸汽和空气在通道中的二次流涡旋流动特性相似,但热物性的差异使得蒸汽的平均努塞尔数比空气的高约48%～67%。在不同的凹坑流向间距下,蒸汽冷却的摩擦系数比均随着雷诺数的增加先减小后增大,努塞尔数比和强化换热因子则均随着雷诺数的增加而减小。当凹坑流向间距为3时,通道中蒸汽冷却的强化换热性能最佳。

蒸汽冷却带肋矩形通道传热和压降实验关联式

针对燃气透平叶片蒸汽冷却问题,建立了透平叶片内冷通道实验系统.该系统主要包括蒸汽的发生器和调节器、整流段、带测量仪器的实验段、实验段加热装置、排气段、数据采集系统和控制系统.对10种不锈钢带肋实验段中的蒸汽传热和摩擦特性进行了实验研究,其中实验段的宽高比分别为0.25、0.5、1、2、4,肋角度分别为30°、45°、60°、90°,雷诺数为10 000～80 000,由此建立了反映雷诺数、肋角度和通道宽高比影响的传热和摩擦特性实验关联式.结果表明：带肋面宽度的增加使得蒸汽的传热和摩擦阻力增大;雷诺数的增加使得蒸汽的传热显著增强,但是对流动摩擦因子的影响不大;肋角度为60°时蒸汽传热和摩擦系数最大.该结果可为先进的高温燃气透平蒸汽冷却叶片的设计研究提供参考.

叶片内冷通道中采用汽雾换热或蒸汽换热的实验研究

气(汽)雾冷却叶片是新一代高效叶片冷却技术的一个重要发展方向,具有广阔的应用前景和发展潜力。在构建的高温涡轮叶片内冷通道气(汽)雾两相流对流冷却实验平台上,研究雷诺数、壁面热流密度以及水雾质量流量对汽雾冷却通道壁面温度分布和换热系数的影响,并与相同工况下蒸汽的换热性能进行对比。主要结果显示,向主流蒸汽中喷入少量细小雾滴形成汽雾两相流冷却介质,其平均努赛尔数最高可达纯蒸汽的3.46倍;当冷却工况因子小于23时,汽雾冷却通道中部区域将出现明显的大液滴沉降和蒸发,冷却效果显著提高。

高速角接触球轴承拟静力学求解的改进算法

采用无滚道控制假设建立了角接触球轴承拟静力学模型,针对传统Newton-Raphson算法在数值求解上述模型时出现初值难以确定、迭代过程不收敛以及收敛慢等问题,提出了一种Newton-Raphson的改进算法。引入中间变量,减少了未知量数目,并对非线性方程组进行分步求解,降低了选取初值的难度;在改进Newton-Raphson算法中引入迭代修正因子,并采用二分法对迭代修正因子进行优化,缩短了收敛时间;通过矩阵变换,简化了雅克比矩阵的求解过程。B7008C轴承的计算结果表明,所提出的算法优于传统的算法,采用该算法可有效降低角接触球轴承的拟静力学模型数值求解的难度并提高收敛效率。

透平叶片双工质冷却流量和流向的优化配置

采用SST转捩模型求解了三维定常雷诺时均Navier-Stokes方程,对具有多个光滑内冷通道的试验叶片进行了气热耦合的数值计算,同时研究了蒸汽、空气冷却工质的流量大小和流向分配对叶片表面温度分布和冷却效率的影响.结果表明:SST转捩湍流模型能够较好地预测叶栅内的传热特性;增加冷却工质的流量,叶片温度明显降低且表面温度分布更加均匀,当冷却工质流量比从0.018 74提高到0.093 71时最大温差下降了约30K,叶片表面的平均冷却效率最大可提升17%,叶片达到最大冷却效果的冷却流量比的最佳值为0.074 97;改变叶片的第2、第4通道的冷却工质流向,可以改善叶片中弦区域沿展向的温度梯度,第5通道采用双向进气的配置方案可以很好地降低叶片尾缘区域的温度梯度,从而改善叶片整体温度的分布.

渐开线齿形磨削精度的在机测量方法研究

在机测量是实现制造过程闭环控制的重要技术。由于数控机床伺服轴数量往往存在冗余,即一个测量任务存在多个满足要求的伺服运动控制方案。因此,如何科学合理地确定测量方案以实现高性能在机测量,是亟待解决的问题。为此,提出了一种测量方案创成方法。首先,应用多体系统理论及齐次坐标变换方法分别建立数控机床运动功能模型及渐开线螺旋面综合测量模型;随后,以渐开线齿形成形运动为约束,建立了以被测渐开线构型与数控机床各轴的伺服运动量之间的函数方程。通过解析该方程的解,获得所有的在机测量方案;为确定最优在机测量方案,依据方案创成结果,简化了机床构型,推导了对应于各测量方案的数控机床空间精度模型,建立了机床空间误差与测量误差之间的映射关系;最后,以测量精度为判据,综合评价各方案的优劣,确定了最优的测量方案。在五轴数控成形砂轮磨齿机上进行了齿形偏差在机测量实验,实验结果验证了方法的可行性及可靠性。

肋角度对矩形带肋通道蒸汽流动和换热特性的影响

在带肋单通道蒸汽强化换热试验研究的基础上,采用SSG雷诺应力湍流模型,求解了三维定常雷诺平均Navier-Stokes方程,对30°、45°、60°和90°4种带肋通道进行了蒸汽流动的数值计算,同时研究了雷诺数对矩形带肋通道中冷却气体的流动和传热特性的影响,并比较分析了不同肋角度下带肋通道的流动和传热特性。结果表明:斜置肋片能有效提高带肋通道的换热效果,同时也将带来很大的流动阻力;与90°带肋通道相比,60°、45°和30°带肋通道的热力系数分别增加了约29.3%、24.6%和20.9%,就综合热力性能来说,60°带肋通道是最好的结构形式。

汽雾两相流强化冷却燃气轮机叶片内冷通道

实验研究了方形通道这一重型燃气轮机中常用叶片强制对流冷却通道结构.分析了雷诺数、壁面热流密度以及水雾质量流量比等关键参数对汽雾冷却通道的传热特性的影响,并建立了考虑离散相水雾的流动工况和通道壁面加热条件的实验关联式.结果表明:相对于纯蒸汽,汽雾两相流的传热系数显著提高,且传热性能提高的幅度随热流密度的增大而减小,随雷诺数和水雾质量流量比的增大而增大;通道上壁面平均传热系数低于下壁面,在高热流密度和低水雾质量流量比下,两者相差约13%,而在低热流密度与高水雾质量流量比的情况下,该比值增加到约25%.

带肋矩形直通道内的冷却空气换热特性研究

采用ANSYS CFX商用软件对带肋矩形直通道内的冷却空气换热特性进行了数值计算,并与文献[4]的实验数据进行了对比,分析了雷诺数Re和肋片角度对努塞尔特数Nu的影响。结果表明:Nu数计算平均值与实验值的变化趋势一致,但计算结果大于实验值;由于肋片的扰流作用,在两个肋片之间的壁面区域产生了两个旋涡,强化了冷却空气与固体壁面的换热;随着Re数的增大,Nu数增大,平均摩擦阻力系数也增大;当肋片角度在45°～60°之间时,冷却通道的强化对流换热效果最好。