波瓣喷嘴冲击射流流动与换热的LES/动态DDES数值模拟及实验研究
发布时间：2022-01-27 21:58
随着燃气涡轮进口气流温度的提高,涡轮叶片的工作环境越来越恶劣,不得不引入多种冷却方式对涡轮叶片进行保护。冲击射流换热技术在燃气轮机涡轮叶片的冷却中具有举足轻重的地位,提高冲击射流的冷却效率也是现阶段的重大研究课题。本文提出了一个新的雷诺时均/大涡模拟（RANS/LES）混合模型——动态延迟分离涡（动态DDES）模型,并在此基础上提出了一个新的湍流热扩散模型,随后通过实验测量和大涡模拟（LES）及动态DDES模拟的方法,对不同几何参数的波瓣喷嘴冲击射流换热性能及流动机理做了详细的研究。波瓣喷嘴由三个圆孔组成,几何形状由喷嘴参数a/b决定,其中a为三个圆孔中心偏离喷嘴中心的距离,b为每个圆孔的半径,三个圆孔在周向呈120°排列,所有喷嘴都保持流体动量通量相等,即在流量一定的情况下,喷嘴出口横截面积相等。为了分析不同喷嘴下的冲击换热特性,本文采用温敏漆测温方法（TSP）对a/b=0至1.15的喷嘴冲击射流进行了详细的测量。测量结果表明,在H/De=2下最优喷嘴参数为a/b=0.8,此喷嘴在1<r/De<4区域内获得的努塞尔数比圆形喷嘴高...
【文章来源】：上海交通大学上海市211工程院校985工程院校教育部直属院校
【文章页数】：162 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
输出功率随涡轮进口温度的变化
图 1-2 近年来燃气轮机涡轮进口温度的变化[1]Fig. 1-2 Variation of turbine entry temperature over recent years机涡轮叶片的典型冷却方法如图 1-3 所示，冷却气流来自引起压缩空气的损失。冷却气流被注入叶片内部，首先通板，形成冲击射流对叶片内表面进行冷却。冲击后的气流远低于叶片外部燃气温度，一部分气流从叶片表面的孔列一部分气流往叶片尾缘流动，经过肋壁通道对内表面进行隙流出形成尾缘冷却。冲击射流孔阵列板一般是一种插入过钻孔加工而成的。相对于其他的冷却方式，冲击射流在却效率，因此冲击射流冷却在燃气轮机涡轮叶片的冷却中击射流中，不同射流之间并没有强烈的相互干涉，在一定似[2]。图 1-4 所示为单孔冲击射流流动的基本形态结构。区域，自由射流区（Free-jet zone）为流动未受到冲击靶内流动与自由射流没有差别；冲击区（Impingement zone
时的二次峰值比使用长圆管喷嘴更明显。而对于这个二次峰值产生的原因，有多种不同的解释。Gardon & Akfirat[13]认为这是边界层转涙引起的，在转涙点的下游，径向速度的减小导致换热强度沿径向方向逐渐减弱。而 Cooper et al.[14]认为这种解释站不住脚，因为在已经发展的湍流冲击射流中，即使不存在转涙，还是可以发现二次峰值的存在。另外一种解释将这个二次峰值与从射流剪切层中发展起来的大尺度环状涡结构联系起来，认为这种环状涡结构或者其破碎之后产生的大尺度涡结构是产生努塞尔数二次峰值的主要原因[15-18]，而 Uddin et al.[19]认为这仅仅只是射流冲击靶面以后边界层加速的结果。Hadziabdic & Hanjalic[20]认为二次涡（secondary vortices）结构在离开靶面时促使流体产生一种往上的运动从而导致产生二次峰值。最近，Dairay et al.[9]对雷诺数为 10000，喷嘴距离 2 的冲击射流进行了直接数值模拟，提出了三个导致努塞尔数二次峰值的原因：二次涡的产生促使周围更多的低温流体冲击靶面；二次涡的的周向变形导致附近的靶面区域获得更高的换热强度；二次涡诱导产生准径向涡结构并反复震荡，导致更多的冷流体冲击靶面。显然，二次涡是诱导产生努塞尔数二次峰值主导因素，涡结构示意图及换热机制如图 1-6 所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]多排密集圆孔气体冲击射流换热的实验研究[J]. 陈晓丹,刘华飞,李伟. 工业炉. 2016(02)
[2]突扩膨胀射流冲击换热与流动的数值模拟[J]. 郑传波,耿丽萍,周静伟. 中国计量学院学报. 2013(02)
[3]横流对冲击射流换热特性的影响[J]. 张传杰,孙纪宁,李浩,毛宏霞. 航空动力学报. 2011(08)
[4]横流对冲击射流换热特性影响机理的数值研究[J]. 张传杰,孙纪宁,谭屏. 航空动力学报. 2011(01)
[5]阵列射流冲击冷却换热特性的数值研究[J]. 韩宇萌,王新军,仇璐珂,俞茂铮,赵世全,贾文,艾松. 汽轮机技术. 2010(03)
[6]密集型阵列冲击射流换热特性实验[J]. 王磊,张靖周,杨卫华. 航空动力学报. 2009(06)
[7]突片射流冲击冷却换热特性的实验[J]. 余业珍,张靖周,杨卫华. 航空动力学报. 2007(09)
[8]三维湍流冲击射流流动与传热特性的数值研究[J]. 陈庆光,王涛,吴玉林,张永建,张永超. 空气动力学学报. 2006(02)
[9]圆形冲击射流传热性能的实验研究[J]. 张永恒,周勇,王良璧. 热科学与技术. 2006(01)
博士论文
[1]冲击射流换热的大涡模拟[D]. 李永平.中国科学技术大学 2016
[2]板带钢热连轧高精度轧后冷却控制的研究与应用[D]. 刘恩洋.东北大学 2012
[3]燃气涡轮冷却结构设计与气热弹多场耦合的数值研究[D]. 陈凯.哈尔滨工业大学 2010
[4]基于冲击射流的电子器件冷却方法研究[D]. 李长庚.中南大学 2009
[5]横流冲击射流涡旋结构的实验和数值研究[D]. 张燕.上海大学 2005
本文编号：3613155
【文章来源】：上海交通大学上海市211工程院校985工程院校教育部直属院校
【文章页数】：162 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
输出功率随涡轮进口温度的变化
图 1-2 近年来燃气轮机涡轮进口温度的变化[1]Fig. 1-2 Variation of turbine entry temperature over recent years机涡轮叶片的典型冷却方法如图 1-3 所示，冷却气流来自引起压缩空气的损失。冷却气流被注入叶片内部，首先通板，形成冲击射流对叶片内表面进行冷却。冲击后的气流远低于叶片外部燃气温度，一部分气流从叶片表面的孔列一部分气流往叶片尾缘流动，经过肋壁通道对内表面进行隙流出形成尾缘冷却。冲击射流孔阵列板一般是一种插入过钻孔加工而成的。相对于其他的冷却方式，冲击射流在却效率，因此冲击射流冷却在燃气轮机涡轮叶片的冷却中击射流中，不同射流之间并没有强烈的相互干涉，在一定似[2]。图 1-4 所示为单孔冲击射流流动的基本形态结构。区域，自由射流区（Free-jet zone）为流动未受到冲击靶内流动与自由射流没有差别；冲击区（Impingement zone
时的二次峰值比使用长圆管喷嘴更明显。而对于这个二次峰值产生的原因，有多种不同的解释。Gardon & Akfirat[13]认为这是边界层转涙引起的，在转涙点的下游，径向速度的减小导致换热强度沿径向方向逐渐减弱。而 Cooper et al.[14]认为这种解释站不住脚，因为在已经发展的湍流冲击射流中，即使不存在转涙，还是可以发现二次峰值的存在。另外一种解释将这个二次峰值与从射流剪切层中发展起来的大尺度环状涡结构联系起来，认为这种环状涡结构或者其破碎之后产生的大尺度涡结构是产生努塞尔数二次峰值的主要原因[15-18]，而 Uddin et al.[19]认为这仅仅只是射流冲击靶面以后边界层加速的结果。Hadziabdic & Hanjalic[20]认为二次涡（secondary vortices）结构在离开靶面时促使流体产生一种往上的运动从而导致产生二次峰值。最近，Dairay et al.[9]对雷诺数为 10000，喷嘴距离 2 的冲击射流进行了直接数值模拟，提出了三个导致努塞尔数二次峰值的原因：二次涡的产生促使周围更多的低温流体冲击靶面；二次涡的的周向变形导致附近的靶面区域获得更高的换热强度；二次涡诱导产生准径向涡结构并反复震荡，导致更多的冷流体冲击靶面。显然，二次涡是诱导产生努塞尔数二次峰值主导因素，涡结构示意图及换热机制如图 1-6 所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]多排密集圆孔气体冲击射流换热的实验研究[J]. 陈晓丹,刘华飞,李伟. 工业炉. 2016(02)
[2]突扩膨胀射流冲击换热与流动的数值模拟[J]. 郑传波,耿丽萍,周静伟. 中国计量学院学报. 2013(02)
[3]横流对冲击射流换热特性的影响[J]. 张传杰,孙纪宁,李浩,毛宏霞. 航空动力学报. 2011(08)
[4]横流对冲击射流换热特性影响机理的数值研究[J]. 张传杰,孙纪宁,谭屏. 航空动力学报. 2011(01)
[5]阵列射流冲击冷却换热特性的数值研究[J]. 韩宇萌,王新军,仇璐珂,俞茂铮,赵世全,贾文,艾松. 汽轮机技术. 2010(03)
[6]密集型阵列冲击射流换热特性实验[J]. 王磊,张靖周,杨卫华. 航空动力学报. 2009(06)
[7]突片射流冲击冷却换热特性的实验[J]. 余业珍,张靖周,杨卫华. 航空动力学报. 2007(09)
[8]三维湍流冲击射流流动与传热特性的数值研究[J]. 陈庆光,王涛,吴玉林,张永建,张永超. 空气动力学学报. 2006(02)
[9]圆形冲击射流传热性能的实验研究[J]. 张永恒,周勇,王良璧. 热科学与技术. 2006(01)
博士论文
[1]冲击射流换热的大涡模拟[D]. 李永平.中国科学技术大学 2016
[2]板带钢热连轧高精度轧后冷却控制的研究与应用[D]. 刘恩洋.东北大学 2012
[3]燃气涡轮冷却结构设计与气热弹多场耦合的数值研究[D]. 陈凯.哈尔滨工业大学 2010
[4]基于冲击射流的电子器件冷却方法研究[D]. 李长庚.中南大学 2009
[5]横流冲击射流涡旋结构的实验和数值研究[D]. 张燕.上海大学 2005
本文编号：3613155
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