计及复杂换位结构的百万千瓦级汽轮发电机定子流固耦合传热研究

百万千瓦级汽轮发电机的定子绕组通常采用多根空、实心股线并绕的复杂编织换位结构,针对尺寸相差悬殊的复杂结构使得其定子流固耦合模型的数值求解存在网格数量多、容易出现奇异解的难点问题,该文提出三维区段式流固耦合网格划分方法,根据不同区段股线的结构及传热特点,通过非均匀网格划分方法大大降低求解模型的网格数量,实现计及复杂换位结构的定子流固耦合模型的数值求解,并通过一台124万kW水氢氢冷汽轮发电机的短路型式实验进行验证。在此基础上,提出定子绕组的新型交叉换位方法并与传统换位方法的温度进行对比,结果表明,新型交叉换位方法使定子绕组股线以及绝缘的温度分布更加均匀,并且能够有效降低定子绕组最高温度。

氦气风机驱动电机转子径向通风结构研究

氦气风机驱动电机是高温气冷堆一回路唯一能动设备,其安全性直接影响到高温气冷堆的安全稳定运行。针对高温高压环境及氦气传热工质对驱动电机风路结构设计及相关参数影响引发的新问题,通过建立双侧转子铁心三维风路结构流固耦合传热模型,计算分析了高温高压环境下传热工质氦气在转子径向风沟内的流动特性,研究了转子分别在动态和静态情况下,通风结构内流体流动规律及转子铁心和导条的温升变化规律。同时,对不同种类传热工质的对应规律进行了对比研究,搭建了模拟实验测试装置,实测数据与数值计算结果吻合较好,验证了计算分析结果的合理性和正确性,为氦气风机驱动电机转子风路结构优化、冷却性能的有效提升提供一定的理论参考。

不同截面肋柱-软尾结构单相流动传热比较

基于任意拉格朗日-欧拉(ALE)方法,利用动网格技术和重叠网格技术数值模拟研究了不同Reynolds数、截面形状以及长径比下的肋柱-软尾结构在通道中的双向流固耦合换热问题。模拟工况为:Reynolds数Re=200,275,351;肋柱截面形状:圆形和方形;长径比k=2,3,4。研究表明:Re=275时圆形截面肋柱-软尾结构的流动换热综合能力优于方形截面结构,k=3时圆形截面肋柱-软尾结构的流动换热综合能力最佳,肋柱周围的局部换热能力方形截面结构好于圆形截面结构;k=3时,随着Reynolds数的增大,不同截面形状的肋柱-软尾结构的流动换热综合能力逐渐升高,并且高Reynolds数、高长径比的圆形截面综合流动换热能力最佳;与不加软尾肋柱结构的流动换热能力进行对比发现,对于圆形截面形状的肋柱结构,增加软尾后综合换热能力增大了19.46%。

采用有限体积法的自然对流换热拓扑优化数值方法

针对基于有限体积法的热-流耦合数值分析缺乏拓扑优化框架问题,建立了采用有限体积法的自然对流换热拓扑优化方法。建立了流体固体统一描述的自然对流换热数学模型,提出了基于有限体积法的自然对流求解方法;通过引入基于结构的离散化描述方法,搭建了结构的描述框架并构建了流体与固体间的材料属性插值模型;针对自然对流中增强散热能力与增强物质传输能力问题,提出了拓扑优化的数学模型,明确了设计变量、目标函数以及约束条件,建立了自然对流拓扑优化方法框架;通过3个算例,验证了提出的数学模型和求解方法,并与商业软件COMSOL进行了对比。结果表明:提出的自然对流求解方法与COMSOL计算结果相比,压力、速度、温度的数值误差均小于3%;对于增强散热能力问题,采用提出的拓扑优化方法获得的最高温度优于COMSOL结果。所提基于有限体积法的自然对流拓扑优化方法的可行性和有效性得到了验证。

煤炭地下气化通道传热下顶板岩温度和应力研究

针对煤炭地下气化中的顶板岩稳定和气化热利用问题,建立了热—流—固耦合的流场和应力场计算模型,模拟研究了气化通道传热下顶板岩的温度、应力变化。结果表明,燃烧面前的顶板岩升温幅度低于燃烧面后的;随着燃烧面的推进,气化通道周围顶板岩的升温幅度和升温区域增大;高温可大幅增加顶板岩底部的拉应力和剪应力,最大可增加10倍以上;最大拉应力和最大剪应力发生在燃烧面所在的顶板岩底部位置,顶板岩主要发生拉伸破坏。

基于流固热多场耦合的高速旋转唇形密封性能研究

针对一种橡胶材料高速旋转唇形密封,结合其自身结构及应用工况,通过方程离散化计算等方法,建立定量分析密封系统密封性能的数值仿真模型。基于所建立的模型对密封实际服役状态下界面流体力学、宏观固体力学、表面粗糙峰微观接触力学、唇口摩擦生热等多物理过程之间的耦合关系进行分析,借助实验验证并完善数值仿真模型的准确性。通过所建立的数值仿真分析模型研究油封唇口接触压力分布、唇口温度、摩擦力矩及泄漏率等衡量密封性能的关键参数随转速的变化规律。结果表明:在高转速条件下考虑摩擦生热时油封径向力减小,接触宽度增加,摩擦力矩减小,说明摩擦热对油封密封性能产生较大影响。

双层壁涡轮叶片短径扇形气膜孔冷却性能数值研究

针对高冷效双层壁涡轮叶片表面应用短径扇形孔设计准则及强化气膜冷却,机理依旧不明的现状,本文利用流固弱耦合数值模拟技术研究了典型7-7-7和11-11-11扇形气膜孔应用于双层壁涡轮叶片设计的冷却特性。在宽范围吹风比下(0.6~2.4),比较了三种扇形气膜孔布置方案,包含叶片两侧同构布局7-7-7孔(简称SH1布局)和11-11-11孔(简称SH2布局)及新提出的异构布局(简称SH3布局),并以常规圆形孔作为比较依据。通过数值结果对比指出:在双层壁表面应用扇形孔代替圆形孔,最低可提升吸力面综合冷却效率17%,压力面7%。然而,扇形孔也会诱导两侧冷却性能差异扩大的现象。应用两侧孔型异构布局,要求在压力侧布置相较于吸力侧各向扩张角更大的扇形孔,可以有效改善叶片内部的流量配置,从而在提升综合冷却效率的基础上兼顾两侧温差缩小。在高吹风比条件下,上述异构诱发的冷却优势更为显著。但相对吸力侧、压力侧对扇形孔型结构参数的敏感性更大。因此,压力侧的异型孔气膜冷却挑战性更大。

回油槽结构对高速插齿机静压主轴性能影响研究

为提高数控高速插齿机静压主轴工作性能,以摩擦学和流体力学理论为基础,通过理论分析、数值模拟,探究了不同工况条件下有、无回油槽对静压主轴性能的影响规律。首先,建立了有、无回油槽油膜流体仿真模型和流固耦合模型,基于实际工况参数进行了仿真计算,探究了有、无回油槽对油膜承载力、刚度、剪切力和轴套最大变形量的影响规律;然后,利用瞬态计算,分析了在10次冲程运动内有、无回油槽结构对静压主轴油膜黏性生热现象的影响,探究了相同工况下不同回油槽形状对油膜承载力与刚度的影响;最后,搭建了静压导轨实验平台,通过实验数据证明了有限元仿真模型的有效性。研究结果表明:添加回油槽结构可以使油膜承载力和刚度提升约1.5倍,可小幅降低油膜黏性阻力,并使油膜平均温度保持稳定;在低偏心率时,无回油槽轴套相对有回油槽轴套变形量最大相差40%,高偏心率时则相反;偏心率较低时,回油槽形状对油膜刚度影响相对较大。该研究可为高速插齿机静压主轴结构参数优化和工程应用提供参考。

基于Fluent的IGBT模块散热器的优化设计

随着新能源电动汽车功率控制器中的IGBT模块向着微型化、集成化方向发展,功率密度增大会导致芯片发热量大幅度增加,降低模块的可靠性。优化英飞凌IGBT模块的散热器结构,以提高散热器的散热性能。设计开口角度为63.256°供冷却液流通的进口和出口,在散热器前、中、后位置设计直径为4~5.5 mm、叉分式排布的扰流柱。利用ANSYS仿真软件,通过计算流体动力学(CFD)的流固耦合传热计算模型进行仿真分析。仿真结果表明,采用新型叉分式结构散热器的IGBT模块的最高温度为85.10℃,最低温度为65.28℃,平均温度为78.81℃,均低于传统均分式结构散热器模块。搭建实验平台对IGBT模块散热器的散热性能进行检测,实验结果表明新型叉分式结构散热器散热效果良好,有助于提升IGBT模块的可靠性。

基于多场耦合的无线电侦扰一体主机散热特性分析

针对无线电侦扰一体主机因高度集成引起的高热流密度导致散热难的问题,通过分析整机的散热路径,构建传热网络图;应用传热学和流体力学理论,建立主机热−流−固耦合散热数学模型;基于ANSYS Icepak仿真平台,构建主机的三维全尺寸数值模型研究其散热特性。结果表明:当风扇风量约为56 m^(3)/h时,无线电侦扰一体主机的散热性能较好且噪声较小;当电源箱的热源同侧分布,侦扰箱和导航诱骗箱的热源异侧分布,且热源靠近进风口或出风口时,主机的散热性能好且效率高;当支架孔隙和设备间距分别为15 mm和10 mm时,主机的散热性能较好且结构强度高,同时主机质量和体积均较小;当散热器翅片的高度、厚度和间距分别为7.5 mm、1 mm和5 mm时,强化散热效果较好且主机质量小。

磁流体润滑螺旋槽机械密封中的热流固耦合分析

为了研究磁流体润滑螺旋槽机械密封中的热流固耦合效应,利用ANSYS Workbench软件计算了磁流体膜的压力分布、温度分布和动环的变形量,分析了电流强度、转速和磁性颗粒体积分数对磁流体膜压力、温度和动环变形的影响。结果表明:随着电流强度、转速和磁性颗粒体积分数的升高,磁流体膜的动压、温度和密封环的热变形都增大;内径处的磁流体温度最高但压力最低,磁流体基液易汽化;动环的压力变形远小于热变形;磁流体膜的压力、磁流体膜温度的数值解大于试验值和解析值,其主要原因在于数值解考虑了密封堰和离心力对磁流体膜的影响。

基于流—固—热耦合的高温伺服阀蛇形流道散热罩散热效率研究

电液伺服系统具有液控负载大、响应快的特点,因此其被广泛应用于航空领域。由于飞行器处于高温工况时,电液伺服系统会受极大影响,不利于飞行器的正常工作。针对这一问题,本文采用流—固—热多场耦合的方法对高温伺服阀散热罩蛇形流道进行了优化研究。首先,介绍了流—固—热三场耦合的理论基础,设计了7种散热罩的结构参数模型,分别建立了散热罩物理模型及流体模型。其次,在此基础上分析了7种模型的散热效果。研究结果表明,增加流道条数并不能提升散热效率,而增加散热罩沟槽宽度和沟槽深度可以提高散热效率,但散热效果并不明显。如要达到散热要求,可以通过增大散热流体流量、降低散热流体温度来实现。

热边界阀门微小内漏时温度场计算方法研究

为了研究阀门内漏时管外壁温度场的分布情况,设计4种缺陷的阀门模型,基于FLUENT软件中的流动、蒸发冷凝及传热模型,进行了阀门流-热-固耦合仿真,获得了温度场随内漏量的分布规律:温度场分布在轴向及周向存在热分层;随着内漏量的增加,阀门下游温度场整体升高;周向热分层在2倍管径处趋于平缓,此位置可作为工程上内漏监测点。根据阀门内漏温度场的试验数据对模拟计算温度场进行对标,温度场偏差在工程允许范围内,验证了本文的研究方法可用于工程实际热边界阀门状态监测。

制冷装置柔性接触式密封机构性能提升的关键技术研究进展

柔性接触式密封机构在制冷装置中起到重要的隔热隔湿作用。针对装配状态下刚-柔多体接触对其性能提升带来的技术挑战,从柔性接触式密封机构技术特点和总体发展出发,综述了影响其性能提升的测量、建模等关键性问题的研究现状,并对未来的发展趋势进行了展望。结果表明:基于反向热平衡的热传递测量技术精度不足,引入滤波算法可降低热流信号噪声波动;现有示踪气体技术未考虑湿空气在刚柔接触界面中的流动扩散,应运用界面微观检测及接触动力学理论来明确流动型式,构建匹配的示踪源和检测回路;对柔性接触式密封机构热流固耦合建模研究尚处于空白,仅建立了传热数值模型与流动平均解析方程,可采用数值计算温度、变形场与解析计算渗流参数的迭代算法来建立耦合模型。未来,除开展测量与建模的基础研究外,还需突破“尺寸效应”技术瓶颈,实现密封组件间的良好配合,应用超低导热材料和电磁感应技术,以提升密封机构的隔热隔湿作用。

过滤双流体模型的水平管道内稠油输送数值模拟

针对介观尺度下蜡晶颗粒聚团在管壁形成宏观尺度下石蜡层的现象,采用过滤双流体模型研究水平管道输送伴有固态沥青质的稠油的液固两相流流动和传热特性.对比均匀结构曳力模型和亚格子曳力模型的模拟结果,获得了颗粒相时均体积分数、颗粒相压力和过滤传热系数的修正系数等参数分布规律.同时分析了壁面温度对稠油温度分布和传热的影响.结果表明:与均匀模型Gidaspow model相比,过滤模型能够揭示蜡晶颗粒非均匀流动结构对液固两相流的变化规律.Filtered modelⅡ的结果更加接近于试验结果,Filtered modelⅡ的结果随着蜡晶颗粒体积分数的增加而减小.当蜡晶颗粒相体积分数增加到12%时,加入壁面修正的亚格子模型的误差仅为4.1%.而ZAMBRANO等人模拟结果与试验压降的误差为12.9%.亚格子尺度模型能够详细地再现沥青质颗粒聚团的介观尺度流动行为,为稠油输送过程中的蜡晶聚集以及流动过程的预测提供了新的方法.

50 Mvar分布式能源凸极调相机端部热管散热研究

针对凸极调相机在进相工况下端部漏磁较迟相运行增大,会造成定子端部结构件涡流损耗的显著增加,导致定子端部结构件温度较高的问题,介绍了定子端部复杂流场和温度场耦合计算的方法,并通过增加端部热管来降低端部结构件温度。本文以一台50 Mvar分布式能源凸极调相机为研究对象,首先通过电机整机流场仿真得到电机内部流场,然后以电机内部流场计算结果为边界条件,对该电机的端部局部进行流场和温度场的三维数值,提出了一种端部结构件布置热管冷却技术,将热管安置于定子端部压圈结构件上,通过热管极好的导热性能,使得端部压圈温度有效降低。

基于流固耦合传热分析的液压电机泵温度场特征

为获得液压电机泵全域温度场分布特征,分析计算不同负载下电机电磁损耗和液压泵功率损失值,将电机主要部件、液压泵泵芯作为固定体热源,建立了电机泵流固耦合传热仿真模型。结果表明:随着负载的增加,电机泵的整体温度逐渐升高,高温区主要集中在电机定子、转子和泵芯上,其中泵芯的温度相对较低;负载低于6 MPa时,电机泵的最高温位置始终位于定子绕组,负载增加后,逐渐转移至转子导条。采用热电偶测量电机泵样机壳体表面特征点的温度,与仿真结果的最大偏差为9.6%,验证了电机泵流固耦合传热模型及计算方法的有效性。

基于蝶翅微结构的高速主轴冷却水套仿生热结构设计

内置电机作为高速电主轴的主要发热部件之一,在实际工况中,其发热量会影响电主轴的回转精度。为了提高电主轴冷却水套的冷却效率,以自然界中闪蝶翅膀微结构的几何模型、结构功能和位形关系等为参照,结合结构相似理论设计一种具有双层包覆性特点的新型蝶翅仿生冷却水套。基于流体动力学及热传导特性理论,对仿生冷却水套及原始螺旋冷却水套进行流固耦合及共轭传热特性的仿真对比分析。结果表明:当冷却水的雷诺数和强迫对流换热面积相同时,电主轴仿生冷却水套的冷却效率和流动特性均优于原始的螺旋冷却水套,其中内置电机的定子热边界面最高温度降低了8%~11%;仿生冷却水套的冷却水最大流速为0.328 m/s,出入口的最大压降是478.6 Pa,相较于螺旋水套在流动特性方面都有很好的提升,对冷却水套结构设计和高速电主轴驱动电机共轭传热提供了参考。

基于流热固耦合的U型管式熔盐换热器温度场与应力场分析

熔盐换热器因其系统压力低、运行稳定以及经济性能好等特点在太阳能、核能和高温制氢等领域得到广泛应用。由于熔盐运行温度高,冷热流体温差大,导致熔盐换热器主要部件中产生的热应力不可忽略。本文采用流热固耦合方法分析U型管式换热器的温度场与应力场,首先运用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)分析获取了换热器主要热性能参数,并与实验结果进行对比,最大偏差约3.07%,验证了CFD流体仿真结果的准确性。在此基础上,对熔盐管壳式换热器运行工况下的传热过程进行了详细分析,获得换热器流场和温度场。最后,通过Ansys workbench有限元软件计算得到由流场、压力场和温度场耦合产生的应力场,并着重分析了与换热管及壳体相连接的管板的应力分布,给出了管板最高应力值及某些路径的应力变化规律。结果表明:应力较大的部位发生在管板的布管区与非布管的连接区域,位于近壳侧的换热管内壁处,距离管板下端面约2 mm的位置。可为熔盐换热器实际运行和结构设计提供重要参考。

中型高压电机轴径向混合通风结构的强化散热特性模拟

为了提升电机的通风冷却性能、降低其运行温升,以一台400 kW中型高压电机为例,采用轴径向混合通风结构,通过磁-流-固耦合模拟研究整体电机稳态条件下温升影响规律,提出温升均匀性系数对两种通风结构的冷却效果进行量化评价。研究结果表明:相对于轴向通风结构,混合通风结构温升分布更加均匀,在电机内层和外层绕组温升均匀性系数分别提高了85.78%和6.23%;进一步探讨了径向风道高度及数量对电机温升的影响,径向风道高度为6 mm、径向风道数量为13个时冷却效果最好。