宽雷诺数下肋参数对U型内冷通道流动与换热特性影响的实验研究

为了研究肋高和通道高的比值(e/H)、肋间距与肋高的比值(P/e)以及肋角度(α)对U型带肋通道流动与换热特性的影响,采用铜板法结合热电偶测量壁面温度分布,对6个不同肋参数U型带肋通道的表面换热特性进行了实验研究。带肋通道截面为正方形,实验的Re为5.0×10^(3)~1.0×10^(5)。研究结果表明,随着e/H和Re的增大,带肋通道的对流换热系数逐渐增大,但相应的流动损失增幅明显,e/H从0.08增大到0.12时,通道的阻力系数增大了近一倍。对于e/H=0.08的通道,P/e分别为6、8、10时,P/e为8时的对流换热系数和阻力损失均高于其他两种情况。相较于90°正交肋,带角度的斜肋能够进一步增强带肋通道的对流换热,75°肋的强化效果略强于60°肋。在实验参数范围内,对于几种不同的带肋U型通道,对流换热系数为光滑通道的1.9~3.0倍,阻力系数为光滑通道的4~16倍。综合考虑换热与流阻,e/H=0.08、P/e=8、α=45°的通道性能最好。

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.

横流通道中肋角度对外表面气膜冷却影响研究

采用非结构化网格和Realizablek-ε紊流模型,求解三维N-S方程,对带肋横流通道中肋的角度不同情况下,外表面气膜冷却换热特性进行了数值模拟。具体分析了肋与横流流动方向成60°、90°、120°时对气膜冷却外表面换热系数的影响。结果表明:横流及肋的存在使通道流场变得非常复杂,肋角度的变化对气膜孔内及出口气体流动有较大影响;肋角度的变化还改变了外表面换热系数的分布,肋角度为120°时外表面换热系数最大,60°次之,90°最小。

半封闭肋化通道射流冲击换热特性的数值计算与实验验证

运用数值计算的方法对半封闭肋化通道单排孔射流冲击冷却进行了三维模拟,并采用红外热像测试技术对冲击靶面的温度分布进行了实验研究,揭示出各种流动参数和几何参数对冲击射流传热特性的影响规律。研究结果表明:数值计算与实验特征基本吻合;冲击间距对肋化部分的换热影响较大,在本文研究范围内,Zn/d=1时壁面射流区的换热效果最好;由于产生了两个方向的二次流,V型肋化通道在壁面射流区获得了最佳换热效果。

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。

V形肋通道内蒸汽冷却的传热及流动特性

在雷诺数处于（6.0-17.7）×10^3的条件下,利用红外热像仪测量了蒸汽冷却、不同角度V形肋通道换热表面的局部努赛尔数分布,利用计算流体动力学软件对其进行了数值模拟,分析了不同角度V形肋通道内蒸汽的传热特性及压力损失,并与相近工况下的空气冷却结果进行对比.结果表明：采用V形肋通道可以有效提高通道的强化换热特性;随着V形肋角度的减小,冷却性能不断提高,45°的V形肋通道的换热性能最佳;V形肋可使换热通道内部流体形成二次流,通道核心区的低温流体随之补充,使得通道中间靠近换热面的热边界层减薄;在相同雷诺数的条件下,蒸汽冷却的传热性能明显高于空气冷却,但两者的压力损失十分接近。

旋转叶片尾缘通道的换热特性

用实验的方法研究了旋转和静止状态下带交错肋和柱肋的涡轮叶片尾缘通道的换热特性.通道截面为楔形,交错肋段上下表面肋错开布置,节距比约为7,柱肋段包含大小两排扰流柱.在实验雷诺数为6100～33000,旋转数0～0.6的工况下对比分析了尾缘通道交错肋段和柱肋段的旋转静止换热特性.研究结果表明:静态下,交错肋段前后缘面存在换热差异,且该差异沿程减小;在交错肋充分发展段,旋转增强了后缘面的换热,削弱了前缘面的换热;交错肋段前后缘面叶间处换热旋转下均得到增强;旋转下柱肋段的过渡段尺度减小,换热最强点向低半径处偏移.

内冷通道特性对外表面气膜冷却换热影响研究

采用混合网格和realizablek-ε紊流模型,求解三维N-S方程,对气膜孔入口无横流、仅有横流和横流通道中有扰流肋的情况下,外表面气膜冷却换热特性进行了数值研究。具体分析了横流及肋的存在对气膜冷却外表面换热系数的影响。结果表明,横流及肋的存在使通道流场变得非常复杂,横流提高了外表面的换热系数,且使流动及换热呈现不对称特性分布;而扰流肋的存在减弱了横流对外表面的影响,换热系数相对于仅有横流时降低,且使外表面流动及换热的对称性有所改善。

燃机叶片U带肋冷却通道的结构优化

内部对流冷却是燃气轮机叶片冷却的重要组成部分之一。基于代理模型和遗传算法,以带肋U形通道肋片角度,肋片方向和肋片距离作为变量对带肋通道中的肋片角度,朝向和相对位置进行优化,以改善整个通道的换热和流动性能。相比于对照通道,第2直通道换热功率最高提高了18.5%,摩擦因子最大降低幅度为28.6%。

燃机透平叶片带肋直通道结构优化策略

在不降低换热能力的基础上,提出了新的带肋通道优化策略,以降低流动阻力,改善壁面温度的不均匀性。采用Kriging代理模型和遗传算法对宽高比为1、带有45°肋片直通道进行了优化计算,获得了良好的优化效果。得到以下结论:在带肋直通道切除部分肋片效率为负的肋片,可以降低通道的流动阻力且提升换热强度,优化后的通道换热性能因子可提高2.8%;通过寻优计算,获得了宽高比为1肋片倾斜角度45°直通道最优参量范围。

再生冷却弧肋通道跨临界流动与传热特性数值研究

本文采用SST k-ω湍流模型针对再生冷却微肋结构通道中正癸烷跨临界流动与换热性能进行了数值模拟研究,对比分析了光滑冷却通道、直肋和弧肋冷却通道的平均努塞尔特数、摩擦系数和综合换热因子。结果表明,光滑通道在跨临界温度区会产生传热恶化现象,而直肋和弧肋通道都可以有效抑制传热恶化,且弧肋通道的强化换热效果整体优于直肋通道。

涡轮叶片厚壁带肋通道冷却性能的实验研究

基于10种不同结构空气冷却厚壁带肋通道的实验数据,分析了宽高比(0.25~4)、肋角(30°~90°)和雷诺数(10000~60000)对带肋通道流动及传热性能的综合影响,拟合得到了通道摩擦系数和壁面平均努塞尔数关于宽高比、肋角和进口雷诺数的经验关联式。结果表明:厚壁带肋通道摩擦系数随着宽高比和肋角的增大均大致呈现出升高的变化趋势;平均努塞尔数和综合热力系数随肋角的增大均表现为先增大后减小的分布趋势,随宽高比的增大表现为先增大后减小、再增大再减小的分布趋势。不同雷诺数时,壁面平均努塞尔数的最大值都大致出现在宽高比为1.75~2.75、肋角为55°~65°之间;最高的综合热力系数出现在宽高比约为0.75和2、肋角约为60°时。平均努塞尔数关联式的平均拟合偏差为6.96%,摩擦系数关联式的平均拟合偏差为12.75%。本文研究结果可为未来重型燃机叶片冷却结构设计提供参考。

涡轮叶片厚壁带肋通道流动与传热性能的预测和优化

为提高燃气轮机涡轮叶片中弦区带肋通道的传热效果,基于已有实验数据开展了雷诺数为10000~60000、宽高比为0.25~4.00和肋角度为30°~90°的涡轮叶片厚壁带肋通道流动与传热性能的优化研究。利用Sobol方法分析了厚壁带肋通道流动及传热性能对雷诺数、宽高比、肋角度的全局敏感性;采用BP神经网络对60组实验数据进行了多输入、多输出的非线性拟合,得到了可以准确预测厚壁带肋通道平均努塞尔数、摩擦系数和综合热力系数的神经网络模型,并结合遗传算法对厚壁带肋通道在研究范围内的不同工况下进行结构优化。结果表明:厚壁带肋通道的传热性能对进口雷诺数变化的敏感性很高,而对通道宽高比和肋角度变化的敏感性较低;流动性能对通道宽高比变化的敏感性非常高,对肋角度变化的敏感性较低,而对进口雷诺数变化的不敏感。训练得到的BP神经网络模型对平均努塞尔数、摩擦系数和综合热力系数的最大预测偏差分别为3.9%、2.8%和4.6%。最优宽高比和最优肋角度都随着雷诺数的增大而增大。不同雷诺数时,基于平均努塞尔数优化得到的最优宽高比和肋角度分别在2.23~2.75和41.12°~55.16°;基于综合热力性能优化得到的最优宽高比和肋角度分别在1.75~2.11和56.68°~65.2°。该研究可为未来重型燃机叶片冷却结构设计提供参考。

蒸汽冷却厚壁通道传热性能的耦合传热研究

基于厚壁带肋通道蒸汽冷却实验数据,发展了含有内热源项的耦合传热计算方法,研究了雷诺数、热流密度和湍流度对厚壁矩形带肋通道内蒸汽流动及传热特性的影响,同时对比了耦合传热方法和只计算流体域方法之间的差异,并在此基础上对努塞尔数与雷诺数、热流密度和湍流度之间进行数值拟合,得到了厚壁带肋通道的传热关联式。研究结果表明:含有内热源项的耦合传热计算模型可以准确地模拟厚壁带肋通道内蒸汽的流动与传热特性,只计算流体域模型对传热系数的预测较耦合传热模型低10%;热流密度对厚壁带肋通道蒸汽摩擦和传热特性的影响较小,高热流密度使得壁面传热效果变差;雷诺数从10 000~90 000变化时,平均传热系数和综合传热因子分别提高了76%和63%,而湍流度从3%~15%变化时,平均传热系数提高了大约24%,综合传热因子提高了19.8%。该研究可为未来重型燃机叶片冷却结构设计提供参考。

厚壁矩形带肋通道内蒸汽流动及传热特性

针对厚壁带肋通道蒸汽冷却的问题,基于试验数据改进了含有内热源项的耦合传热计算方法;研究了壁厚对具有三维导热效应的厚壁矩形带肋通道内蒸汽流动及传热特性的影响;分析了肋高比e/D为0.047~0.188和肋角度α为30°~90°时厚壁带肋通道内蒸汽的流动和换热性能,并建立了反映通道壁厚δ、肋高比和肋角度对厚壁带肋通道传热特性影响的关联式。研究表明:壁面厚度对带肋通道流动及传热性能的影响较小,通道的传热性能随着壁厚的增大而降低。肋高比为0.141和0.047时,厚壁通道的综合性能因子分别达到了最高和最低;取肋片之间区域平均努塞尔数比时,60°厚壁带肋通道的综合性能因子最高,而取整个带肋壁面的平均努塞尔数比时,45°厚壁带肋通道的综合性能因子最高。

船舶燃气轮机冷却涡轮叶片内部带肋冷却通道颗粒沉积特性研究

为了探究船舶燃气轮机冷却涡轮叶片内部冷却通道内肋片角度的改变对颗粒沉积特性的影响,以7种不同肋片角度及1种弯头处加导流片的肋结构作为研究对象,运用CFD数值模拟对比分析各种冷却结构的流动换热性能以及颗粒沉积特性。结果表明:当肋片角度改变时,内部通道的流动换热和弯头壁面的沉积率存在很大差异。肋片角度为45°的内部冷却通道的换热性能相比于换热性能最差的E型肋的平均努塞尔数高了25%;肋片角度为60°时,弯头壁面和弯头后壁面的沉积率最低;肋片角度为90°时沉积率最高;肋片角度为135°时换热性能最差,弯头壁面沉积率最低。肋片角度的改变对弯头侧壁的沉积率和各个部分的撞击率无显著影响,但是增加导流片可以有效降低弯头壁面的捕获率和沉积率以及弯头侧壁的沉积率、撞击率和捕获率。

蒸汽冷却带肋矩形通道流动和换热特性数值研究

为了阐明蒸汽冷却带肋矩形通道的换热增强机理,基于三维RANS方程和标准k-ω湍流模型,数值模拟了带肋矩形通道的流场和换热特性,研究了雷诺数、入口宽高比和肋间距对流动和换热特性的影响,进一步分析了努塞尔数与雷诺数、入口宽高比、肋间距之间的关系,由此得出带肋矩形通道的传热关联式。结果表明:肋片的存在破坏了较厚的换热边界层,增强了换热性能。雷诺数增大,平均努塞尔数、综合换热因子均增大,阻力系数小幅上升;宽高比增大,平均努塞尔数、综合换热因子均增大,阻力系数大幅上升;肋间距增大,平均努塞尔数增加,阻力系数先增后减,综合换热因子先减后增。所得传热关联式可为先进燃机蒸汽冷却叶片的设计提供参考。

涡轮带肋通道换热实验研究

采用热色液晶瞬态测量技术测量了涡轮动叶完整带肋通道换热系数分布,通道进口雷诺数范围为:6 000—20 000,出口质量流量分配比为:27%、49%、24%,27%、73%、0%,27%、0%、73%。分析了不同出流比和雷诺数对换热的影响。实验得出:在相同出流比的条件下,三个通道的努塞尔数沿流动方向都是减小的,且三个通道的数值都是右侧的大于左侧的值;当雷诺数相同时,三个出流比条件下,不同出流比对第一、第二通道的努塞尔数分布基本没影响,区别主要是第三通道。

燃气轮机叶片内部扰流肋冷却方式研究进展

随着燃气透平转子进口温度的不断提高,燃气轮机叶片冷却日益重要。带有扰流肋的内部通道冷却是叶片冷却的一个重要部分。综述了内部扰流肋冷却的研究历程与研究现状,详细论述了静止状态下带肋内部通道的换热研究、旋转对带肋通道内换热的影响研究以及扰流肋与其他方式相结合的复合冷却研究。结论指出,在国内外静止状态下带肋通道内的换热研究已经很成熟,旋转对通道内流动与换热的影响是最近几年来的研究热点,而关于旋转状态下复合冷却方式的研究相对较少。优化旋转状态下内部肋结构和将内部扰流肋与其他冷却方式相结合的研究是今后的发展方向。

带45°肋矩形通道冷却性能及熵产特性实验研究

以带45°肋矩形通道为研究对象,实验测量了通道进、出口温度和压力以及壁面温度,分析了雷诺数(Re=10000~60000)和宽高比(W/H=0.25~4)对通道内冷气流动和传热性能及其引起的不可逆熵产的影响规律,对比了蒸汽冷却和空气冷却的不同。研究表明:不同雷诺数时,蒸汽冷却的传热性能较空气冷却提高了25%~33%;蒸汽冷却的综合热力性能要好于空气冷却,且最优宽高比为0.5。传热不可逆熵产占总熵产的50%以上,是不可逆熵产的主要来源。与空气冷却相比,蒸汽冷却引起更小的摩擦不可逆熵产和更大的传热不可逆熵产。