应用不同深度学习代理模型的灯笼型扰流柱通道换热性能分布预测方法比较

为提高对灯笼型扰流柱通道端壁面的换热分布预测能力,构建并比较了几种深度学习代理模型的预测性能。应用数据驱动的思想,建立了多项式响应面模型(RSM)、径向基函数模型(RBF)、径向基神经网络模型(RBFNN)、Kriging模型和总体平均近似模型(Ensemble)共5种传统代理模型以及5种基于生成对抗网络的深度学习代理模型,包括有残差网络的pix2pix模型、pix2pixHD模型、CycleGAN模型、StarGAN模型以及单一无残差网络的pix2pix模型,以扰流柱截面参数为设计变量,通过拉丁超立方抽样分别得到了样本数为50、25、12、6和3的训练集,并根据扰流柱尾迹高换热区分布特点,将训练样本数为50的数据集分为宽样本数据集和窄样本数据集,比较了不同代理模型对端壁面换热性能的预测精度、计算成本和泛化能力。结果表明:有残差网络的pix2pix模型相比于无残差网络的pix2pix模型,预测精度得到有效提高,在样本数为50的情况下,面平均值预测误差从0.68%降低到0.32%,平均相对误差从6.89%降低到6.41%,而且当训练样本数减少时,有残差网络的模型预测能力更加突出;传统代理模型的时间成本可忽略不计,但深度学习模型的单卡训练时间较长,且增加残差网络后的模型计算成本更高;当训练样本数为50时,传统代理模型和深度学习模型之间预测精度差异不大;当训练样本数逐渐减少时,深度学习代理模型展示出更高的预测精度和泛化能力;Kriging模型虽然泛化能力强,但是预测结果趋同;RSM模型、RBF模型和Ensemble模型泛化能力最差,训练样本数较少时,预测结果严重失真。可见在换热性能预测方面,深度学习模型在预测精度与泛化能力上均有显著优势,尤其适合于小样本问题,对提高灯笼型扰流柱截面设计效率具有参考价值。

K465高温合金叶片扰流柱的渗透检测

针对某型号空心涡轮叶片叶尖和榫齿外侧扰流柱表面有荧光显示的问题,使用ZL-27A型渗透液对其进行渗透检测,后用丙酮擦拭笔对荧光显示进行擦拭,确定并标记出有缺陷的扰流柱;最后利用体视显微镜和扫描电镜观察和分析缺陷的宏观和微观特征。结果表明,扰流柱表面不平整是存在荧光显示的主要原因,经过擦拭后扰流柱上的线性荧光显示为裂纹,圆形荧光显示为疏松,缺陷是铸造工艺造成的;对于扰流柱位置有荧光显示的零件,应拒绝验收。

环形流道内扰流柱参数优化的模拟分析

套管结构可以通过多种被动式方法提高其传热效率。通过正交试验和数值模拟的方法,以努塞尔数Nu、阻力系数f和综合评价指标PEC作为评价指标,制定了6因素3水平的正交试验,对设置在套管环形流道内不同参数的扰流柱进行了数值模拟。对正交试验结果进行极差分析,得到各因素对Nu、f和PEC的影响趋势,并最终以PEC确定了扰流柱的最优参数组合(PEC=1.973)。基于场协同理论进行分析,具有扭转角的椭圆形扰流柱大幅提高了环形流道内流体的径向速度,约可达到轴向速度的4%,显著提升了换热壁面处的温度场和速度场的协同效果,起到了强化传热的作用。

截断扰流柱对涡轮叶片前缘冲击冷却的影响研究

通过数值模拟研究了错列排布的截断扰流柱高度及布置方式对涡轮叶片前缘双层壁冲击冷却通道的流动和换热特性的影响。通过对通道内不同截面二维流线以及涡核图分析增强了对弯曲双层壁冷却通道内的流动特征的理解,并进一步结合近靶面极限流线和流动特征图印证该流动特征以及壁面流动,基于此,分析了靶面局部换热特性,并讨论了不同方案下的靶面平均努塞尔数、流阻损失和综合换热性能。数值模拟结果表明,截断扰流柱方案较常规全尺寸扰流柱在换热性能上有明显提升且其流阻有一定降低。当截断扰流柱布置在于冲击孔壁面,截断扰流柱相对高度为0.75时,整个靶面的平均换热和综合换热性能最高。基于本文研究结果,在燃气轮机涡轮叶片前缘双层壁通道中,推荐在冲击孔壁上布置一定高度的截断扰流柱,有助于综合换热性能的提升。

变流向梯形通道内短扰流柱排的流量分配实验

为了深入了解涡轮叶片尾缘扰流柱区域的流动情况,对叶片内流工程计算程序进行验证,针对气流90°转弯全部从弦向流出的情况,通过实验测量了梯形通道短扰流柱排的端壁静压分布,以及各段弦向出流量沿叶片径向的变化。实验结果表明:(1)静压变化主要发生在弦向,尤其是在弦向出口附近静压变化剧烈,而沿径向静压变化不大。(2)在所研究的R e数范围内,靠近叶片根部和尖部的流量较大,而叶片中部的流量较小。(3)弦向出流量沿叶片径向的变化不超过30%。实验结果对涡轮叶片内部冷却计算具有重要的参考价值。

扰流柱直径对倾斜出气孔层板内流动和换热影响的数值研究

用数值模拟的方法,研究了倾斜出气孔层板结构最小单元体内扰流柱直径对于层板内流阻和换热的影响.采用了非结构化网格,并对气流转角较大区域做了局部加密;选择k-ε湍流模型方程,配以壁面函数率,求解稳态无旋转的层板;采用了流体域与固体域耦合求解法计算耦合换热.给出了计算结果并分析了流动和换热情况.研究结果表明适当增加扰流柱直径有利于降低流阻、提高冷却效率.

短扰流柱排端壁的平均换热实验

为了深入了解涡轮叶片尾缘扰流柱区域的端壁换热情况,针对梯形通道高稠度短扰流柱排,沿着弦向和径向都有出流或只沿径向出流的情况,通过实验测量了端壁换热分布,研究了弦向出流比(0.25～1)和弦向出流雷诺数(3×104～9×104)对端壁换热的影响。实验结果表明:(1)端壁平均努塞尔数随着雷诺数增加而增加,随着出流比的增加先下降,出流比从0.75到1平均努塞尔数又略增加。(2)不同出流比情况下,沿着弦向和径向努塞尔数的变化具有不同的规律。

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%。

扰流柱对叶片尾缘对流换热特性的影响

为了研究扰流柱对涡轮叶片尾缘对流换热特性的影响规律,设计了4种不同结构的扰流柱,采用红外热像仪分别对不同形状和排列方式的扰流柱对叶片尾缘气膜冷却特性的影响规律进行了实验研究.研究结果表明,在吹风比较低时,水滴I型扰流柱叶片尾缘的对流换热特性较好;吹风比较大时,圆柱型扰流柱叶片尾缘的对流换热特性较好,水滴Ⅱ型扰流柱叶片尾缘的对流换热系数最小.

液晶瞬态技术测量带侧向流扰流柱通道端壁换热

采用热色液晶瞬态测量技术测量带侧向流扰流柱通道端壁全表面换热系数的分布，研究了侧流比及雷诺数对换热的影响，其中，侧流比为0．25～1．0，雷诺数为3×10^4～9×10^4。结果表明：（1）侧流比对扰流柱通道的流动形态及端壁换热有重要影响；（2）存在一个临界侧流比，在临界侧流比以下，流动形态沿主流方向呈错排流状态；在临界侧流比以上，流动形态沿侧流方向呈错排流状态；在临界侧流比附近，流动为顺排流动状态，方向在主流和侧流方向之间；（3）侧流比较小或较大时，扰流柱通道端壁换热较强；在临界侧流比附近，换热相对较弱。

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。

带射流孔板矩形扰流柱通道内的壁面换热

为了研究射流冲击对扰流柱通道内壁面的换热,以及射流孔板与扰流柱前缘的距离对通道换热的影响规律,采用薄膜加热片作为加热器提供等热流边界条件,对带射流孔板的矩形扰流柱通道进行了换热实验。实验结果表明在通道中布置扰流柱可以明显增强通道换热,且在扰流柱排前放置射流孔板可进一步对换热进行强化。实验还发现,射流孔板与扰流柱的间距不同,对通道换热的影响不同;在间距相同的情况下,射流孔板对不同位置的扰流柱换热的影响程度也有所差异。

出流比对扰流柱通道弦向出流量影响实验

为了深入了解涡轮叶片尾缘扰流柱区域的流动情况,对叶片内流通道工程计算程序进行验证,针对不同的弦向出流比(弦向出流量与总流量之比),通过实验测量了梯形通道短扰流柱排的端壁静压分布,以及各段弦向出流量沿叶片径向的分布。实验结果表明:①当弦向出流比较大时(c≥0.5),沿径向静压变化小,扰流柱区域的流动基本为弦向流动,当出流比较小时(c<0.5),沿径向静压变化明显,压力先下降而后回升。扰流柱区域的流动既有弦向流动,同时又有径向流动;②大出流比时(c≥0.5)各段出流量变化幅度相对较小,而小出流比时(c<0.5)各段出流量变化幅度较大;③总压损失系数随着出流比、雷诺数的增加而减小。实验结果对涡轮叶片内部冷却计算具有重要的参考价值。

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。

有射流冲击的短扰流柱排内柱面的传热实验研究

对前缘上游有单排孔板射流冲击的涡轮叶片内扰流柱通道柱面进行了详细的传热实验研究 ,获得了不同实验条件下扰流柱表面的局部换热系数分布 ,结合流场测量结果分析了柱面换热规律。结果表明换热系数分布很大程度上受射流冲击的影响 ,在扰流柱前缘附近存在高强度换热区域 ,沿柱面随角度的增加努谢尔特数逐渐减小 ,角度 θ为 90°附近存在一片低强度换热区域 ,尾缘区换热强度最低。结果还表明尽管平均努谢尔特数随雷诺数的增大而显著增大 ,平均换热强化系数却随雷诺数的增加先增大而后逐渐减小。有射流冲击的柱面换热效果明显优于无射流冲击情况。

涡轮叶片尾缘扰流柱通道流动换热计算

为了深入研究涡轮叶片尾缘扰流柱区域流动的工程计算方法,用开发的基于流体网络计算的一维工程算法,对工作叶片尾缘扰流柱通道进行了计算,并与实验结果进行了对比。计算结果表明:工程计算得出的弦向出流量分布、压力分布从规律和数值上与实验结果都吻合较好,工程算法能够比较准确地计算出扰流柱通道的流动;扰流柱区的气体流动方向基本为弦向,但也存在着一定的径向流动,所以有必要在流体网络计算中设置表示径向流动的流路。

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。

回流燃烧室弯曲段冲击扰流柱+逆向对流+气膜冷却效率

为从理论上分析研究回流燃烧室弯曲段冲击扰流柱+逆向对流+气膜冷却结构的传热特性,设计了多种不同几何尺寸的计算模型,运用F luen t软件从流动与换热两个方面对其进行了系统的研究,得出了如下结论:(1)扰流柱的存在强化了冷却空气在冲击腔中的扰动,使得冷却空气与冷侧壁面的换热得到大大地加强,提高了复合冷却结构的冷却效率;(2)在本文研究的几何尺度下,附着于弯曲段热侧壁面的气膜层有效长度最大弧度不超过10;°(3)吹风比对复合冷却效率有很大的影响,在冷却壁面冷却效率随吹风比的增加而增加,但当吹风比M>1.5时,吹风比对冷却效率的影响已不明显;(4)扰流柱的排列形式对冷却效果的影响不大。

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Ｓｎ／ｄ为６．５，Ｓｐ／Ｓｎ为１．２，其中ｄ为扰流柱的直径，Ｓｎ为扰流柱横向间距，Ｓｐ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Ｒｏ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。

绕流柱形对层板流阻特性影响的数值模拟研究

利用有限体积法对三维可压缩的 N- S方程进行离散 ,对内部绕流柱形分别为圆形、方形和菱形的多孔层板冷却结构进行了数值模拟。网格划分采用非结构化网格 ,湍流模型为 Realizable k- ε双方程模型 ,近壁处湍流采用壁面函数法处理 ,采用 SIMPLE算法求解速度与压力的耦合。计算获得了 3种冷却结构内部各气流参数的三维分布和流动阻力特性。结果表明层板内部的流场结构十分复杂 ,射流冲击后在扰流柱前反卷形成驻涡。 3种绕流结构中方形结构流动阻力最小 ,菱形最大。将计算结果与实验结果进行了比较 。