基于大渦模擬的交錯肋通道流動換熱特性研究.pdf

1、作為重要的工業(yè)裝備，燃氣輪機已經廣泛用于包括航空、航海、機車、能源等工業(yè)領域，承擔著極其重大的保障人民生活及安全的任務。隨著傳統(tǒng)化石能的源供應日益緊張，能源動力裝置的效率和經濟性漸漸成為了科研及工程領域人員關注的重點。對于燃氣輪機而言，其透平進口溫度的提高對于整體熱效率的提高有著極為重要的意義。葉片冷卻作為改善熱端轉子進口溫度的關鍵技術，也早以成為了研究的熱門領域。本文通過對葉片冷卻結構之一的交錯肋通道進行研究，得到了其在不同進口雷諾數

2、工況、不同進口角度條件下的換熱特性；利用大渦模擬等研究方法，得到了其在特性工況下的內部流場信息，從而得以更加準確的分析其換熱特性。
　　1.通過對不同進口角度的交錯肋模型進行研究表明，進口幾何角度對通道內的換熱特性影響并不明顯。在一定的進口工況條件下，壁面局部Nu分布特性以及全通道換熱表面Nu數平均值均沒有明顯變化。與之相比，Nu/Nu0平均值略有變化，其值大致隨著角度的增加而減小。也就是說，當進口轉角增加，進口流場變得復雜時，通

3、道的換熱性能會有所降低。與之相反，在進口雷諾數一定的情況下，通道的阻力系數會隨著進口轉角的增加而略有降低。計算結果表明，進口角度為90°時，整個通道的阻力系數相比于其它角度的情況下降明顯。結合換熱性能與阻力性能兩方面的計算結果，計算出綜合換熱系數TPF，結果表明在通道進口角度增加的情況下，綜合換熱系數TPF呈現出上升趨勢。
　　2.對于特定的進口幾何角度模型，當雷諾數逐漸增加時，對于本文所計算的平板交錯肋幾何結構，其壁面Nu值隨著

4、雷諾數的增加呈現出單調上升的趨勢，表明雷諾數越大，換熱強度越大。但是，當雷諾數同樣逐漸增加時，壁面 Nu/Nu0值卻不是單調變化的。而是先隨著雷諾數的上升逐漸下降，之后隨著雷諾數的上升 Nu/Nu0值逐漸上升；交錯肋結構的摩擦因數隨著工況雷諾數的增加而降低。當雷諾數降低時，摩擦因數下降的幅度較大，當雷諾數繼續(xù)增加時，摩擦因數繼續(xù)下降，但降幅明顯減小。
　　3.為了得到交錯肋結構的內部流場，本文利用大渦模擬(LES)方法對Re=30

5、000工況條件下通道的流動換熱情況進行了仿真計算。通過流線分析、截面速度適量分析，以及利用渦識別方法，對計算結果分析發(fā)現，在交錯肋通道中，沿著子通道方向廣泛存在著縱向渦團。子通道獨特的彎折特征是這些渦團產生的主要原因。另外，子通道相互交錯的流動特點，也對這些渦團的發(fā)展產生了重要影響。結合溫度場分析、壁面Nu數分析，以及場協同原理，對計算結果分析發(fā)現，子通道內部的主流縱向渦、鐵壁縱向渦以及交錯通道引起的剪切渦，對通道的換熱特性能存在重要影

6、響。主流縱向渦的存在加強了冷卻空氣內部能量交換，是的主流中心區(qū)域的溫度分布更加均勻。主流縱向渦、貼壁縱向渦以及剪切渦一起，強化了對近壁區(qū)域流動邊界層和熱邊界層的破壞，從而加強了換熱?？v向渦還使得主流中速度適量與溫度梯度適量的夾角變小，更加有利于冷卻空氣與壁面的熱量交換。
　　4.本文搭建了基于激光測量技術的粒子圖像速度測速(PIV)實驗臺，以便對交錯肋等比放大實物模型中，子通道內部流場特征信息進行測量，為后續(xù)對交錯肋通道的研究做好