旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下回轉(zhuǎn)通道內(nèi)部流動(dòng)與換熱特性研究.pdf

1、帶肋回轉(zhuǎn)通道是廣泛使用的一種典型的渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)，它使用多腔通道組合冷卻方式來(lái)合理利用冷氣增強(qiáng)內(nèi)壁面換熱。為詳細(xì)了解多腔帶肋回轉(zhuǎn)通道的壁面換熱及壓力分布特征，掌握旋轉(zhuǎn)條件、出口流量分配比例對(duì)通道流動(dòng)換熱特性的影響。本文針對(duì)某型燃?xì)鉁u輪動(dòng)葉的帶肋回轉(zhuǎn)通道，采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。
　　實(shí)驗(yàn)研究采用了放大模型，建立了旋轉(zhuǎn)全表面換熱測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。根據(jù)葉片內(nèi)通道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，回轉(zhuǎn)通道實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪怯?個(gè)轉(zhuǎn)彎段連接的3個(gè)帶肋通道

2、組成，徑向出流第1、3通道為梯形截面通道，徑向入流第2通道為矩形截面通道，入口位于第1通道底部，出口1位于第1轉(zhuǎn)彎段頂部，出口2、3分位于第3通道頂部和側(cè)壁。第1、2通道的的壓力面、吸力面上交錯(cuò)分布著14個(gè)90°矩形直肋，第3通道的壓力面、吸力面上交錯(cuò)分布著16個(gè)90°楔形直肋，肋高與通道水力直徑之比為0.107:1，肋距與肋高之比為12.58:1。實(shí)驗(yàn)入口雷諾數(shù)范圍為Re=5000~20000，出口1、2、3占入口的質(zhì)量流量比例為27

3、％、49%、24%(3個(gè)出口均出流)，27%、0%、73%(出口2不出流)和27%、73%、0%(出口3不出流)，實(shí)驗(yàn)旋轉(zhuǎn)數(shù)范圍為0~0.09、旋轉(zhuǎn)半徑與通道入口水力直徑比為46.4。采用了瞬態(tài)液晶測(cè)量技術(shù)測(cè)量壓力面的換熱分布。數(shù)值模擬研究采用了與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嗤挠?jì)算域，針對(duì)實(shí)驗(yàn)研究典型工況進(jìn)行研究，增加了旋轉(zhuǎn)半徑與通道入口水力直徑比變化的流動(dòng)換熱特性研究。
　　經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，本文得出以下結(jié)論：
　　1.在建立的旋轉(zhuǎn)內(nèi)流

4、通道全表面換熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上，實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下液晶換熱測(cè)量，突破旋轉(zhuǎn)圖像采集、數(shù)據(jù)傳輸和記錄、氣流快速加熱等關(guān)鍵技術(shù)后，利用液晶測(cè)量方法獲得了高分辨率回轉(zhuǎn)通道全表面換熱分布，尤其在旋轉(zhuǎn)全表面測(cè)量上表現(xiàn)出較大優(yōu)勢(shì)。在實(shí)驗(yàn)研究條件下，采用瞬態(tài)液晶測(cè)試技術(shù)的換熱系數(shù)測(cè)量誤差可控制在10%以內(nèi)。
　　2.肋的擾流阻力、出流損失和轉(zhuǎn)彎效應(yīng)均影響沿程壓力系數(shù)分布。在不同雷諾數(shù)下，沿程壓力系數(shù)變化規(guī)律相同，壓力系數(shù)沿流向逐漸減小，小雷諾數(shù)下局部流動(dòng)

5、損失較大。不同出流比下，沿程壓力系數(shù)在第3通道的差距較大，出口2不出流時(shí)壓力系數(shù)降幅最大，沿程流動(dòng)損失最大。旋轉(zhuǎn)作用力使回轉(zhuǎn)通道各段的壓力系數(shù)改變，徑向出流通道的壓力系數(shù)降幅減小，徑向入流通道的壓力系數(shù)降幅增大，旋轉(zhuǎn)半徑增加對(duì)沿程壓力系數(shù)的增減幅度影響更加明顯。
　　3.不同雷諾數(shù)的壓力面換熱分布相似，肋的擾流使主流邊界層分離和再附著，增加了壁面的湍流度，使肋間換熱系數(shù)升高；轉(zhuǎn)彎分離使下游回轉(zhuǎn)通道換熱分布不均，靠近轉(zhuǎn)彎下游換熱系數(shù)

6、較低，遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)彎下游換熱系數(shù)較高，壁面換熱沿流向逐漸均勻。流量分配比例僅影響第3通道壁面換熱分布，出口2流量減小造成第3通道換熱分布不均勻性加強(qiáng)。
　　4.隨著旋轉(zhuǎn)數(shù)的增加，徑向出流壓力面的換熱系數(shù)增加，第3通道高換熱區(qū)向通道內(nèi)側(cè)偏移；徑向入流通道的壓力面的換熱系數(shù)稍有減小，第2通道右側(cè)的單渦高換熱區(qū)變?yōu)樽笥覂蓚?cè)的雙渦高換熱區(qū)，雙渦高換熱區(qū)沿流向逐漸左偏，最終合并；隨旋轉(zhuǎn)半徑增加，壁面的換熱分布不變，換熱系數(shù)稍有增加。
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7、.各段帶肋通道壁面的沿程展向平均換熱系數(shù)均呈多波峰狀分布，沿流向肋擾流造成的換熱強(qiáng)化區(qū)逐漸減小，轉(zhuǎn)彎造成下游通道肋間波峰向前肋下游偏移。肋間平均換熱系數(shù)沿流向變化規(guī)律與沿程展向平均換熱系數(shù)相似。
　　6.數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，隨著旋轉(zhuǎn)半徑與通道入口水力直徑比的增加，壁面局部換熱系數(shù)稍有增大，轉(zhuǎn)彎連接造成各段通道壁面換熱分布與單通道明顯不同，回轉(zhuǎn)通道的沿程肋間平均換熱系數(shù)明顯偏高，數(shù)值模擬基本能夠預(yù)測(cè)壁面換熱分布規(guī)律，具體計(jì)算數(shù)值比是實(shí)驗(yàn)結(jié)