短通道错排射流冲击流动特性的研究

论文摘要

在高性能发动机中,为了有效地保护其热端部件(例如涡轮叶片)并延长其寿命,必须采用先进的冷却技术。在所有提高传热的技术中,冲击冷却对于提高当地的传热系数具有最大的潜力,其冲击所形成的高速气流,极大的改善了当地的换热状况,特别适用于局部高温的地区。本文主要通过实验和数值模拟的方法对在受限通道射流冲击结构的流场特征进行了详细的研究。 两个实验模型为几何参数不一样的矩形通道,在通道的顶部开有3个错位排列的冲击射流孔和一个出流孔,孔的进出口都不带倒角的。用五孔探针对射流孔、通道和出流孔的流场进行详细测量;测量了射流沿通道的沿程压力分布;得到出流孔的流量系数。实验中主要研究了不同的射流孔雷诺数Re(以第一个射流孔的定义的雷诺数)、不同通道高度比(通道高度与射流孔径的比值)、不同的射流孔间距的改变对流场和流量系数的影响规律。同时用FLUENT6.0软件对本实验模型进行了数值模拟,以便更好的了解流场的细节和更好的理解其作用机理。结果表明,实验数据与数值模拟的结果相一致。 在对该射流冲击冷却结构的流动特性进行了系统的研究之后,得出以下主要结论: 1.射流孔的流场结构较为简单,主要受到通道横流的影响稍向流动的方向偏转。由于通道的质量流量相对较弱,横流对射流孔内流场的影响不明显。 2.射流和通道横流的相互作用使得通道的流动结构很复杂;由射流产生的漩涡,将通道气流推向通道的顶端与两侧;在通道中由于射流对横流的阻挡作用,气流绕过射流向下游流动;通道的高速区不仅仅是射流直接冲击的目标靶面,同时在通道两侧和顶部都存在着高速区。 3.出流孔内的流场结构主要由通道的流动特性所决定;由于在出流孔入口的通道末端气流的不均匀性,使得在出流孔内形成了漩涡结构,涡的强度随着通道高度的增加而变得更强;不同的通道高度,漩涡的方向是不一样的;出流孔存在着漩涡结构和低速分离区,使得孔的流量系数较低。西北工业大学硕士学位论文4.通道高度比的改变明显的改变的该冲击模型的流场结构;而雷诺数的改变, 在本实验的范围内对流场结构没有明显的影响。5.数值计算所得到的流场结构与实验测量所得到的结果相一致。关键词冲击冷却,流场特征,漩涡,流量系数,流阻特性,数值模拟。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 实验研究的发展
• 1.3 本文的研究背景和意义
• 1.4 本文的主要工作
• 第二章 实验装置与实验方法
• 2.1 实验研究方法
• 2.1.1 实验装置
• 2.1.2 实验件和测量截面的定义
• 2.1.3 实验参数定义
• 2.1.3.1 射流孔雷诺数Re
• 2.1.3.2 孔流量系数
• 2.1.3.3 通道沿程压力损失
• 2.1.4 流场的测量方法
• 2.1.5 数据采集和系统处理
• 2.1.6 测量仪器及其精度
• 2.1.7 误差分析
• 第三章 射流孔流动特性的实验研究
• 3.1 引言
• 3.2 射流孔内流场基本特征
• 3.3 雷诺数对射流孔流场的影响
• 3.4 通道高度比对射流孔流场的影响
• 3.5 小结
• 第四章 通道流动特性的实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 通道内流场的实验结果与分析
• 4.3 通道高度比对通道内流场的影响
• 4.4 射流孔间距的改变对通道内流场的影响
• 4.5 雷诺数的改变对通道内流场的影响
• 4.6 通道侧壁的静压系数分布
• 4.7 小结
• 第五章 出流孔流动特性的实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 出流孔内流场的基本特性
• 5.3 通道高度比对出流孔内流场结构的影响
• 5.4 射流孔间距的改变对出流内流场的影响
• 5.5 雷诺数对出流孔内流场结构的影响
• 5.6 出流孔流量系数
• 5.7 小结
• 第六章 数值模拟研究
• 6.1 引言
• 6.2 控制方程与紊流模型
• 6.2.1 控制方程
• 6.2.2 紊流模型
• 6.3 数值计算
• 6.3.1 计算域及网格生成
• 6.3.2 边界条件
• 6.3.3 离散方法与方程求解
• 6.4 计算结果与分析
• 6.4.1 通道的流场特征
• 6.4.2 通道高度比对通道流场的影响
• 6.4.3 雷诺数对通道流场的影响
• 6.4.4 出流孔的流场特征
• 6.4.5 通道高度比对出流孔流场的影响
• 6.4.6 雷诺数对出流孔流场的影响
• 6.5 小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 本文的研究结论
• 7.2 今后的研究发展方向
• 参考文献
• 致谢