仿螺旋肋片内冷通道流动与换热特性研究

论文摘要

随看燃气涡轮发动机的性能的不断提高，涡轮前进气温度越来越高，这使得燃气涡轮发动机叶片在越来越高的温度下工作，其温度已远远高出燃气轮机叶片材料所能承受的范围，因此对燃气涡轮发动机的关键部件之一—涡轮叶片进行有效的冷却，开发先进高效涡轮叶片冷却技术，是发展现代高推重比涡轮发动机的关键技术之一，也是国际上在发展高效低耗燃气轮机中竞相研究的课题。本文在阅读大量的国内外与涡轮发动机叶片冷却技术相关文献，包括气膜冷却、冲击冷却、强迫对流冷却等在内的几种基本冷技术在内，特别是内冷通道强迫对流换热冷却技术基础上，提出一种新型的肋片内冷通道强化对流换热方案，该方案在内冷通道中通过设置仿螺旋肋片，来改善通道内部冷却介质流动结构，引入螺旋翅片管的强化传热机理，使其更有利于通道固体壁面与冷却介质的换热，以达到更有效降低叶片温度的目的。 为了详尽了解新提出的仿螺旋肋片内冷通道特有的三维流场特性、通道换热特性以及通道流动阻力特性，本文采用数值模拟和实验研究相结合的方法对其进行了系统的研究。本文所研究的内冷通道横截面形状为矩形，通道上下壁面上沿冷却介质流动方向布置仿螺旋肋片，肋片排间呈间断性的布置，每两排肋片排为一几何结构周期，同一壁面上各排肋片之间相互错列，上下壁面相对位置的肋片排之间同样相互错列一定的距离，两个侧壁为光滑壁面。本文主要研究了仿螺旋肋片导流角度、倾斜角度、肋片形状等肋片几何结构参数以及气流方向、进口雷诺数等流动参数对内冷通道的流场特性、换热特性以及阻力特性的影响及其变化规律。 数值模拟和实验研究结果表明，这种新型的内冷通道强化对流冷却方案，不仅利用了仿螺旋肋片作为扩展面积达到强化换热的目的，同时利用其一定的几何排列来仿效螺旋翅片管的强化换热机理，冷却介质在通道内流动时受仿螺旋肋片的导向作用迫使通道近壁处冷却介质发生旋转，产生一附加的螺旋流动，加强了通道内冷却介质流动的径向扰动，加强了近壁区冷却介流动的扰动，使得近壁面及肋片间冷却介质的相对速度提高，减薄速度边界层和传热边界层厚度，大大降低了壁面的传热热阻，通道平均传热系数相对于光滑通道得到显著提高。此外，通过对研究结果进行归纳总结和对比分析，给出了本文研究范围内仿螺旋肋片内冷通道最佳的肋片几何结构参数。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的背景和意义
• 1.2 燃气涡轮发动机叶片冷却技术的发展
• 1.3 肋片内冷通道强迫对流换热冷却技术综述
• 1.4 本文的主要工作和研究内容
• 2 仿螺旋肋片内冷通道结构参数与数值研究方法
• 2.1 仿螺旋肋片内冷通道物理模型
• 2.2 控制方程与湍流模型
• 2.3 计算区域与周期性边界
• 2.4 求解方法与过程
• 2.5 数据处理
• 2.6 本章小结
• 3 楔形仿螺旋肋片内冷通道的数值模拟研究
• 3.1 楔形肋片导流角度对通道流动与换热特性的影响分析
• 3.2 楔形肋片倾斜角度对通道流动与换热特性的影响分析
• 3.3 雷诺数 Re对通道流动与换热特性的影响分析
• 3.4 气流方向对通道流动与换热特性的影响分析
• 3.5 本章小节
• 4 矩形仿螺旋肋片内冷通道的数值模拟研究
• 4.1 矩形肋片导流角度对通道流动与换热特性的影响分析
• 4.2 矩形肋片倾斜角度对通道流动与换热特性的影响分析
• 4.3 雷诺数 Re对通道流动与换热特性的影响分析
• 4.4 肋片形状对通道流动与换热特性的影响分析
• 4.5 本章小结
• 5 楔形仿螺旋肋片内冷通道的实验研究
• 5.1 实验研究方法
• 5.2 不确定度分析
• 5.3 实验结果分析
• 5.4 实验结果与数值模拟结果的比较分析
• 5.5 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 研究结论
• 6.2 进一步工作的建议
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
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