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旋转条件下冲击冷却数值模拟及实验研究

白云峰  
【摘要】:射流冲击冷却技术具有结构简单以及局部换热效果显著等特点,在食品业,钢铁退火,玻璃回火特别是航空发动机涡轮叶片冷却领域得到广泛应用。国内外学者们对射流冲击冷却的研究多集中在静止条件下各参数的影响效果,但是最近的研究结果表明旋转对射流冲击冷却的影响不可忽略,但是国内还处于起步阶段,因此本文通过数值模拟和实验研究相结合的方法研究旋转条件下的冲击冷却的流动和换热特性。 针对旋转条件下冲击射流的特点,本文展开了三个方面的研究工作: (1)数值模拟研究旋转条件下单孔射流冲击冷却中Ro、Rej、z/d对单孔射流冲击冷却的影响。在旋转条件下的单孔冲击冷却数值研究中首先开展了网格实验和紊流模型实验,得到了最佳计算网格和合适的紊流模型。在旋转条件下单孔射流冲击的数值模拟研究中,通过改变冲击雷诺数Rej(20000~35000)、旋转数Ro(0~0.0117)、孔板间距和孔径比z/d(2~4),细致地研究了旋转条件下冲击射流的流场结构和换热特性,研究结果表明:壁面Nu随着冲击雷诺数Rej的增加而增加;壁面Nu随着旋转数Ro的增加先增加,后减小,然后再增加;壁面Nu随着z/d的增加而减小。 (2)实验研究旋转条件下单孔射流冲击冷却,研究 Ro、Rej对单孔射流冲击冷却的影响;在实验中,采用热膜法测量换热系数,改变冲击雷诺数Rej(20000~35000)、旋转数Ro(0~0.003441)。实验结果表明:随着冲击雷诺数Rej的增加,壁面Nu增加;在实验工况范围内壁面Nu先是随着旋转数Ro的增加而增强,后又随着旋转数Ro的增加而减小。 (3)在旋转条件下单孔射流冲击数值模拟和实验研究的基础上,本文还开展了多孔叉排(454 排列)射流冲击的数值模拟研究,其中冲击孔直径d=2mm,孔间距Xn=Yn=10mm,孔板间距Zn=8mm。研究结果表明:随着冲击雷诺数的增加,多孔冲击冷却的壁面Nu增加。当冲击雷诺数Rej从 15000 变化到 30000 时,壁面的 N u增加了 68.8503%;随着旋转数的增加,壁面 N u先增加,然后下降。对应不同的雷诺数(Rej=15000、20000、25000、30000),旋转数从 0 增加到 0.03723时,壁面 N u分别减小了 3.9107%、3.2986%、2.7394%和 2.0737%。 本文还进行了针对实验的数值模拟仿真对比,结果表明数值模拟同实验研究的结果基本一致,误差在 15~30%之间。 本文通过研究提供了冲击射流冷却的流场结构、温度场以及换热 Nu 的分布,以期对涡轮叶片冲击冷却系统能够有个整体的认识,并提供合理的数据资料,加深对叶片内部冲击冷却理解,提高我们对燃气涡轮叶片的设计能力。


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