氦氙涡轮叶片冷却特性数值研究
发布时间：2022-09-28 15:32
基于He/Xe气体工质的闭口布雷顿循环系统在新型核动力航天器上有广阔的应用前景,具有重量轻、体积小、能量转换率高等优点。目前国外多个航天机构对基于He/Xe工质的闭口布雷顿循环进行了理论分析和实验验证,而国内公开文献中目前暂无相关研究。涡轮叶片作为空间布雷顿系统关键部件有着举足轻重的地位,其所面对的高温高压工作环境要求必须对涡轮采取合适的冷却方式。本文通过数值计算的方式分别对氦氙涡轮叶片的外部冷却和内部冷却技术进行研究。首先通过对平板气膜模型的分析研究基于氦氙工质的气膜冷却流动换热机理,通过研究不同吹风比（M=0.2～1.2）下气体流动形式、平板表面换热系数和冷却效率的分布,得到了气膜冷却效果的影响因素以及一般规律,作为后续外部冷却研究的理论基础。其次分别对光滑叶片和带气膜叶片的流动换热特性进行分析,分别研究进口雷诺数(Rein=200,000～335,000)、湍流度（I=1%～15%）和吹风比（M=0.8～1.1）对叶片表面换热系数和冷却效率的影响,分析了不同工况下叶片表面换热的差异以及气膜对增强换热的效果,总结出了氦氙涡轮叶片的冷却特性。然后通过对矩形通道的...
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 选题背景与意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 空间布雷顿循环相关研究
1.2.2 涡轮叶片冷却相关研究
1.3 本文主要研究内容
第二章 数值研究方法
2.1 FLUENT商用数值计算软件
2.2 湍流模型的选择
2.3 计算方法及参数定义
2.4 氦氙气体工质物性计算
2.5 物理模型和工况参数选择依据
第三章 氦氙涡轮叶片外部气膜冷却数值研究
3.1 平板气膜流动换热特性
3.1.1 模型建模、网格划分及边界条件
3.1.2 吹风比对气膜冷却的影响
3.2 光滑叶栅通道内的流动换热特性研究
3.2.1 光滑叶栅通道建模及边界条件设置
3.2.2 光滑叶栅通道内的流动特性
3.2.3 光滑叶片表面换热特性
3.3 带气膜叶栅通道内的流动换热特性研究
3.3.1 带气膜叶栅通道建模及边界条件设置
3.3.2 带气膜叶片表面换热特性
3.4 本章小结
第四章 氦氙涡轮叶片内部冷却数值研究
4.1 矩形通道流动换热特性
4.1.1 矩形通道建模及边界条件设置
4.1.2 矩形通道流动换热特性
4.2 叶片空腔流动换热特性
4.2.1 叶片空腔建模、网格划分及边界条件
4.2.2 叶片空腔流动特性
4.2.3 叶片空腔壁面换热系数
4.3 带冷却结构叶片内腔流动换热特性
4.3.1 带冷却结构叶片内腔建模、网格划分及边界条件
4.3.2 带冷却结构叶片内腔流动特性
4.3.3 带冷却结构叶片内腔壁面换热系数
4.4 本章小结
第五章 总结与展望
5.1 总结
5.2 展望
参考文献
附录A 氦氙混合气体物性参数
附录B UDF代码
致谢
作者简介
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于热色液晶技术的尾迹对涡轮动叶表面换热系数影响研究[J]. 陈大为,朱惠人,李华太,周道恩,贾晓萌. 推进技术. 2019(03)
[2]重型燃机透平叶片外壁面换热的数值研究[J]. 慕粉娟,王思远. 机械工程师. 2015(02)
[3]出流比及旋转数对回转通道流动换热的影响[J]. 赵曙,朱惠人,郭涛,张丽,周志翔. 西安交通大学学报. 2014(06)
[4]某涡轮导向叶片换热实验与计算[J]. 骆剑霞,朱惠人,张宗卫. 航空动力学报. 2014(03)
[5]出流孔位置对带肋矩形通道换热特性的影响[J]. 张宗卫,朱惠人,王振伟,郭涛. 推进技术. 2011(04)
[6]内冷通道带肋和出流孔壁面的换热研究[J]. 苏福彬,朱惠人,郭涛,许都纯. 航空动力学报. 2009(07)
[7]不同吹风比下平板气膜冷却数值模拟[J]. 雷云涛,林智荣,袁新. 清华大学学报(自然科学版). 2008(08)
[8]带交错叉排肋的矩形通道流场和壁面换热特性的数值模拟[J]. 张魏,金文. 汽轮机技术. 2007(05)
[9]带45°肋矩形通道换热数值模拟[J]. 张魏,李广超,金文. 燃气涡轮试验与研究. 2006(03)
[10]空冷透平静叶气膜冷却数值研究[J]. 安柏涛,刘建军,蒋洪德. 工程热物理学报. 2005(03)
博士论文
[1]涡轮高效冷却结构设计方法及换热机理研究[D]. 罗磊.哈尔滨工业大学 2016
[2]航空发动机气冷涡轮叶片的气热耦合数值模拟研究[D]. 董平.哈尔滨工业大学 2009
[3]复杂内冷透平动叶中流动与换热研究[D]. 苏生.中国科学院研究生院（工程热物理研究所） 2008
硕士论文
[1]涡轮工作叶片型面换热特性研究[D]. 窦翔宇.沈阳航空航天大学 2018
[2]气膜冷却冷气孔参数对涡轮性能的影响研究[D]. 洪博文.哈尔滨工业大学 2014
[3]平壁气膜冷却的数值模拟[D]. 赵晓航.大连理工大学 2009
本文编号：3681922
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 选题背景与意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 空间布雷顿循环相关研究
1.2.2 涡轮叶片冷却相关研究
1.3 本文主要研究内容
第二章 数值研究方法
2.1 FLUENT商用数值计算软件
2.2 湍流模型的选择
2.3 计算方法及参数定义
2.4 氦氙气体工质物性计算
2.5 物理模型和工况参数选择依据
第三章 氦氙涡轮叶片外部气膜冷却数值研究
3.1 平板气膜流动换热特性
3.1.1 模型建模、网格划分及边界条件
3.1.2 吹风比对气膜冷却的影响
3.2 光滑叶栅通道内的流动换热特性研究
3.2.1 光滑叶栅通道建模及边界条件设置
3.2.2 光滑叶栅通道内的流动特性
3.2.3 光滑叶片表面换热特性
3.3 带气膜叶栅通道内的流动换热特性研究
3.3.1 带气膜叶栅通道建模及边界条件设置
3.3.2 带气膜叶片表面换热特性
3.4 本章小结
第四章 氦氙涡轮叶片内部冷却数值研究
4.1 矩形通道流动换热特性
4.1.1 矩形通道建模及边界条件设置
4.1.2 矩形通道流动换热特性
4.2 叶片空腔流动换热特性
4.2.1 叶片空腔建模、网格划分及边界条件
4.2.2 叶片空腔流动特性
4.2.3 叶片空腔壁面换热系数
4.3 带冷却结构叶片内腔流动换热特性
4.3.1 带冷却结构叶片内腔建模、网格划分及边界条件
4.3.2 带冷却结构叶片内腔流动特性
4.3.3 带冷却结构叶片内腔壁面换热系数
4.4 本章小结
第五章 总结与展望
5.1 总结
5.2 展望
参考文献
附录A 氦氙混合气体物性参数
附录B UDF代码
致谢
作者简介
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于热色液晶技术的尾迹对涡轮动叶表面换热系数影响研究[J]. 陈大为,朱惠人,李华太,周道恩,贾晓萌. 推进技术. 2019(03)
[2]重型燃机透平叶片外壁面换热的数值研究[J]. 慕粉娟,王思远. 机械工程师. 2015(02)
[3]出流比及旋转数对回转通道流动换热的影响[J]. 赵曙,朱惠人,郭涛,张丽,周志翔. 西安交通大学学报. 2014(06)
[4]某涡轮导向叶片换热实验与计算[J]. 骆剑霞,朱惠人,张宗卫. 航空动力学报. 2014(03)
[5]出流孔位置对带肋矩形通道换热特性的影响[J]. 张宗卫,朱惠人,王振伟,郭涛. 推进技术. 2011(04)
[6]内冷通道带肋和出流孔壁面的换热研究[J]. 苏福彬,朱惠人,郭涛,许都纯. 航空动力学报. 2009(07)
[7]不同吹风比下平板气膜冷却数值模拟[J]. 雷云涛,林智荣,袁新. 清华大学学报(自然科学版). 2008(08)
[8]带交错叉排肋的矩形通道流场和壁面换热特性的数值模拟[J]. 张魏,金文. 汽轮机技术. 2007(05)
[9]带45°肋矩形通道换热数值模拟[J]. 张魏,李广超,金文. 燃气涡轮试验与研究. 2006(03)
[10]空冷透平静叶气膜冷却数值研究[J]. 安柏涛,刘建军,蒋洪德. 工程热物理学报. 2005(03)
博士论文
[1]涡轮高效冷却结构设计方法及换热机理研究[D]. 罗磊.哈尔滨工业大学 2016
[2]航空发动机气冷涡轮叶片的气热耦合数值模拟研究[D]. 董平.哈尔滨工业大学 2009
[3]复杂内冷透平动叶中流动与换热研究[D]. 苏生.中国科学院研究生院（工程热物理研究所） 2008
硕士论文
[1]涡轮工作叶片型面换热特性研究[D]. 窦翔宇.沈阳航空航天大学 2018
[2]气膜冷却冷气孔参数对涡轮性能的影响研究[D]. 洪博文.哈尔滨工业大学 2014
[3]平壁气膜冷却的数值模拟[D]. 赵晓航.大连理工大学 2009
本文编号：3681922
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