纯氢燃气轮机火焰筒肋化壁面换热特性数值模拟优化研究

本文针对纯氢燃气轮机火焰筒肋化壁面对流换热冷却问题,采用流固耦合数值仿真计算方法,在现有火焰筒肋片结构基础上(肋高e=3mm,肋间距P=20mm),研究其余11种肋片设计方案(e=3~5mm,P=15~30mm)的流动换热特性和规律,进一步对现有火焰筒冷却结构进行优化。研究表明,肋高e=3mm、4mm时,增大肋间距,换热性能下降;肋高e=5mm时,增大肋间距,换热性能先减小再增大再减小。肋间距P=15mm、20mm时,肋高增加使得换热效果先增大后减少;肋间距P=25mm、30mm时,肋高增加换热效果增加;肋间高比P/e在3~5之间,换热效果最佳,综合分析得出,P/e=3.75时换热效果最好。与现有结构相比,肋高e=4mm,肋间距P=15mm时,对流强化换热系数增加2.6%,摩擦因子增加43%,平均壁温降低5.2%。

网格式肋化通道换热与总压损失特性研究

通过两个实验模型,对矩形网格式肋化通道的换热与总压损失特性进行了实验研究。模型通道的两个宽边是由铝板机械加工而成的肋化壁,两个短边是由胶木板制成的绝热壁。肋化壁上肋与通道轴线所形成的锐角定义为肋向角α,第一个模型的两个宽边上的肋向角分别为45°和-45°(简称45/45模型);第二个模型两宽边的肋向角分别为45°和-60°(简称45/60模型)。两个模型的肋宽与肋间距之比t/p=0.25,肋间距与肋高之比t/e=0.30,肋高与通道高度之比e/H=0.50,即两个肋化壁的肋尖相互接触,从而形成网格式通道。实验表明当雷诺数在0.5×105～1.2×105范围内变化时,网格式内冷通道换热效果比光滑通道提高了5～9倍,但伴随的总压损失增加了3个数量级。

三维内肋螺旋管内强化换热实验

采用实验方法测试了三维内肋螺旋管内的流动传热性能。实验用的螺旋管曲率δ =0 .0 6 6 3,测试段长 1.15m ,试验工质为水。对螺旋光管和两种不同结构尺寸的三维内肋管进行了测试 ,测量的雷诺数范围约为Re=10 0 0～ 85 0 0。结果表明 ,三维内肋对螺旋管内的对流换热仍然有较大的强化效果 ,同时流阻也有一定程度的增加。与未加肋的螺旋光管相比 ,在测试的流动范围内 ,两种三维内肋管的平均换热强化比达 1.71和 2 .0 3,热力性能系数为 1.2～ 1.6 6。

肋的几何参数对网格式肋化通道的传热与总压损失特性的影响

通过10个实验模型研究了肋宽与肋间距之比t/p以及肋宽与肋高之比t/e对网格式肋化通道的换热与总压损失的影响。实验模型分为两组:第一组5个45/45模型是由两块肋向角分别为45°与-45°的肋化板形成的;第二组5个45/60模型是由肋向角分别为45°和-60°的两块肋化板形成的。模型的t/e分别为0.25,0.30,0.50,t/p分别为0.25,0.33,0.50。在雷诺数为0.5×105～1.5×105时,t/e=0.30与t/p=0.50的模型换热效果最好,但同时压损也最大。45/45模型与45/60模型的换热效果没有明显的区别,但后者的压损却是前者的近两倍。根据实验数据拟合得到了有关参数的准则关系式。

平壁矩形直肋装置肋化热阻系数曲线图

提供了工程计算用的平壁矩形直肋装置肋化热阻系数曲线图。从图上可清楚地看出肋厚、肋高和肋间距对肋装置传热性能的影响。

管式电弧加热器电极背侧冷却强化数值模拟

基于COMSOL共轭传热对10MW级管式电弧加热器电极的背侧冷却进行了固体传热、流体传热和湍流流动的耦合计算,得到了背侧矩形直肋结构不同肋化系数β、换热表面粗糙度Ra条件下电极的温度和冷却通道流动阻力系数,对计算数据进行了回归分析,得到了β、Ra对弧根处电极温度和冷却通道阻力系数的综合影响的近似表达式。研究结果发现:随着电极背侧肋化系数β从1到2.2不断增加,电极内壁温度单调降低,降幅为12~14%,冷却通道阻力系数则增加了26.3~46.9%,并且在粗糙度较高时,β的变化对阻力系数的影响程度更大。背侧换热表面Ra由3.2um增加到80.6um时,弧根处电极壁面温度随之降低,降幅为6.5%~11%,但随着Ra的提高,增加Ra对降低电极温度的作用逐渐减弱,阻力系数则单调增加了近2倍。利用回归分析得到的表达式可对不同β和Ra条件下的弧根处内壁温度和流动阻力系数进行工程估算。

圆筒壁矩形剖面环肋装置肋化热阻系数曲线图

提供了工程计算用的圆筒壁矩形剖面环肋装置肋化热阻系数曲线图。由图可见肋厚、肋高和肋间距对肋装置传热性能的影响 ,有助于最佳尺寸的确定 。

高阻塞比肋化通道对流换热特性实验研究

采用实验方法对高阻塞比肋化通道的对流换热特性进行了研究。实验的Re数为1400~4500,肋高(e)和通道水力直径(H)的比值(e/H)为0.2和0.33,肋间距(S)与肋高(e)的比值(S/e)为5,10和15。肋化通道中的肋有顺排和叉排两种排列形式。研究结果表明:(1)随着阻塞比和Re数的增加,对流换热系数逐渐增大,但相应的流动损失亦不断升高。(2)无论是顺排还是叉排肋化通道,在肋间距比分别为5,10和15三种情况下,间距比为10的对流换热系数和流阻损失均高于其它两种情况。(3)在实验几何参数范围内,顺排肋化通道的对流换热系数和流动压损均高于叉排通道。

平壁三角形直肋装置肋化热阻系数曲线图

提供了工程计算用的平壁三角形直肋装置肋化热阻系数曲线图。从图上可清楚地看出肋基厚、肋高和肋间距对肋装置传热性能的影响 ,有助于最佳尺寸的确定 ,简化传热计算。

高阻塞比肋化通道对流换热特性实验研究

为了降低涡轮叶片温度以保证其安全性,采用实验方法对高阻塞比肋化通道内流动换热特性进行了测量。针对顺排和叉排两种肋化通道考察了多个主要影响因素对换热特性的影响规律,研究表明:(1)对于高阻塞比肋化通道,当流体在层流区域流动时,肋片对流体在通道内部对流换热的强化作用要明显高于湍流状态;(2)无论是顺排还是叉排肋化通道,当肋间距比为10时,其对应着最大的对流换热系数和最大的流阻损失;(3)在实验几何参数范围内,顺排肋化通道的对流换热系数和流阻系数均高于叉排通道;(4)在高阻塞比肋化通道中,流阻特性的变化规律和流动状态的转变规律基本与水力光滑通道相同。

叶片前腔高阻塞比肋化通道换热特性实验研究

为了研究前腔高阻塞比肋化通道的换热特性,设计了不同的阻塞比、肋倒角-肋高比和肋宽-肋间距比,针对几何和流动参数对前腔通道有肋侧、无肋侧和前缘3个区域的对流换热系数的影响开展了实验研究,实验进口Re范围为5 000～50 000,阻塞比范围为0. 04～0. 32,肋倒角-肋高比范围为0. 1～0. 5,肋宽-肋间距比范围为0. 04～0. 16。结果表明:①有肋侧、无肋侧和前缘的展向平均对流换热系数沿流向大致呈周期性分布;②在实验参数范围内,进口Re和阻塞比的增加均有利于通道的强化换热;③肋倒角-肋高比增大时,有肋侧的强化换热效果逐渐减弱,前缘和无肋侧则经历一个先增强后减弱的过程,但变化幅度很小;④肋宽-肋间距比过大或过小均不利于强化换热,存在一个最优的中间值使得换热强化比最高。

燃气轮机火焰筒肋化壁面逆流气膜冷却的数值模拟

针对燃气轮机火焰筒肋化壁面逆流气膜冷却的问题,建立了火焰筒内壁面冷却传热的流固耦合数学模型.考虑湍流切应力的传播,近壁利用k-ω模型的鲁棒性,捕捉黏性底层的流动.主流区域利用k-ε模型避免k-ω模型对入口湍流参数过于敏感的劣势. SST k-ω模型是用混合函数将k-ω模型和k-ε模型结合互补所取得的更适合本问题的湍流模型.数值分析结果清晰展示了计算域流体的流场、温度场及火焰筒肋化壁面的温度场分布,并与文献中的实验结果符合良好.

管壳传热面的肋化与高效热风机组的设计

文章针对热风机气—气换热的特点 ,侧重介绍了管壳助化原理、对气—气换热的强化以及对管壳壁温的调节作用 ,通过在本热风机组的应用获得了满意的效果。

基于神经网络的旋转肋化强弯曲U型通道内压力分布特性预测

依据部分实验数据,利用神经网络对旋转肋化强弯曲U型通道的压力分布特性进行了预测。计算结果表明,当积累了一定的实验测量数据后,经过训练的人工神经网络能够对更高转动数下的通道内压力分布特性进行预测。但是由于U型通道内压力分布的强烈非线性特性,当实验数据较少时,这种预测能力将显著下降,甚至完全丧失。因此,积累相应的实验数据对于基于神经网络的U型通道内压力分布特性的预测是必要的。

高肋翅片管的热流特性及工程应用

电站锅炉暖风器的传热管通常采用的肋化型式有椭圆管、绕片管、轧制管，以及目前在国外多种先进换热器中开始采用的钢铝复合管新型传热元件。该文作者介绍了４种高肋翅片管的热流特性，肋化管选择及其工程应用。

直肋片最佳肋片厚度的理论关系式

本文从追求整个肋壁最大传热量出发，证明了肋片传热面最佳肋片厚度的存在，并得到了确定最佳肋片厚度的理论关系式。

烘缸肋壁的导热模型

对矩形肋槽烘缸壁壳内的传热作了分析,考虑肋壁各处传热系数的不同,采用有限差分法建立了导热模型,以实际背景的工况作为算例,对矩形肋壁的传热特性进行了初步探讨。

绕流微细环肋圆柱流动换热性能的实验分析

对绕流几种矩形截面的微细环肋圆柱体流场进行了流动与换热性能的实验研究．采用瞬态集总参数法测定其换热系数，用风道整体静压差法测量流动阻力，以此导出相应的准则关系式，进而对其进行综合性能的火用分析．结果表明，在相同肋化系数下肋高越高，换热能力越强，相应的压力损失越大．因而肋化圆柱适于应用在较低的雷诺数范围，且肋高越高最佳雷诺数愈低．

微阵列射流冲击肋化表面传热特性

以去离子水为工质,对微阵列射流冲击光滑和肋化表面的传热特性进行了实验研究,并以光滑表面传热性能为基准,讨论了肋化表面强化因子(ε)变化规律.实验结果表明:①浸没和自由射流的传热系数均受无量纲射流距离(H/d)影响;提高射流Re数和减小无量纲孔间距(S/d)都能够增强换热.②浸没射流ε受H/d影响大,而自由射流ε基本不受H/d影响;两种射流方式的ε都随Re数增大,且渐趋于一个常数.③对流热阻在各种射流情况下均随流量不断下降,但下降趋势逐渐平缓,当流量大到一定时,热阻基本不再降低.

航电设备内冷通道扩展表面的传热与流动特性研究

在某航空电子冷却机箱中,综合考虑其使用环境,采用了CNC加工的叉排直肋作为其内冷肋化通道。为找出影响该类扩展表面的传热与流动特性的主要因素,采用正交实验设计的方法,对不同结构参数的25种肋片应用Fluent进行了数值模拟,通过极差分析研究了对传热流动特性影响最大的结构参数,同时获得了流动参数范围内用于工程计算的j、f计算关联式。