火焰筒壁层板冷却结构内部流动与换热特性研究

发布时间：2020-09-27 06:28

　　 层板冷却具有冷气消耗量少和冷却效率高的优点,被广泛应用于航空发动机热端部件强化冷却。因此,探索层板冷却在航空发动机部件上的应用(比如火焰筒壁层板冷却结构)显得十分必要。基于上述背景,本文采用数值模拟和实验的方法探索了火焰筒壁层板冷却结构流动与换热特性。本文利用CFD数值计算研究了火焰筒壁层板冷却结构流动与换热特性,主要分析了冲击开孔率、扰流柱直径、溢流孔直径、冲击高度、流向间距、展向间距以及射流雷诺数等参数对层板冷却结构流动与换热特性的影响。计算结果表明:冲击开孔率增加层板的总压降和当量流量系数减小,阻力系数增大并且换热能力减弱;扰流柱直径对总压降和当量流量系数影响很小,增大扰流柱直径能够降低层板阻力系数,d_r=0.6mm时K值最大;溢流孔直径增加层板总压降和阻力系数降低,与之相反的是当量流量系数增大,相应的换热能力变强;冲击高度增加,总压降和阻力系数降低,当量流量系数略微上升,冲击高度对换热能力的影响并非单调变化;流向间距和展向间距的增加都会使层板结构的换热能力增强,层板结构的压降上升,流量系数几乎不变,阻力系数随两者的改变未呈现单调的线性关系;射流雷诺数增加同样会导致压降增大,对当量流量系数影响很小,但是阻力系数降低,层板冷却结构的换热能力提升,随着射流雷诺数的增加几乎呈线性变化。为了验证数值计算的准确性,本文进行了典型工况的实验验证。在数值模拟的基础之上,利用实验的方法重点研究了冲击孔径、扰流柱直径和溢流孔径对层板内部流动与换热特性的影响规律。实验结果表明:层板环腔内的平均努塞尔数随冲击孔径和扰流柱直径增加而提升,但几乎不随溢流孔径的增加而发生改变;总压损失系数则随着冲击孔和溢流孔直径的增加而呈现单调递减的变化趋势,而随扰流柱直径的增加几乎保持不变。总体来看,关于实验与计算的最大误差,平均努塞尔数在20.2%以内,总压损失系数在27.4%以内。
【学位单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V231.1
【部分图文】：

南京航空航天大学硕士学位论文第一章 绪论和意义机自问世以来被广泛应用于航空航天、航海、能源等诸多脏一直是人们所关注的焦点。随着航空工业的不断发展以性能不断提高，世界各国对发动机的性能要求越来越高，稳定性与可靠性，而且希望能够降低耗油率、减少环境污性能的关键指标，如图 1.1 所示[1]，世界上各个国家都在加性能更高的飞机。推重比为 10 的一级加力涡轮发动机在上就是典型的代表。紧接着发动机预研计划提出将推重比增个飞速发展的黄金时期。当燃气涡轮发动机涡轮进口温度到 10 左右；当涡轮进口温度达到 2100K～2300K 时推重比

场区域包括自由射流区、滞止区和壁面射流区三个部分[2不断增加，射流逐渐与周围流体发生动能与质量的交换，度逐渐增加，同一流向上速度梯度在不断减小。当射流冲射流。冲击滞止区射流边界层的厚度非常薄，因此冲击滞向转为径向、从驻点区向外加速发展形成了壁面射流，壁着层流的特征，随着喷嘴喷出流体速度的增加，壁面射流数进一步增大。 等[3]研究了影响单孔射流冲击冷却效果的因素，分析了局部H/d 和孔间距 X/d 的变化规律。许全宏等[4]利用相似理论指换热系数受雷诺数和冲击间距的影响。研究结果表明：Nu基本上呈线性关系（图 1.2）；当 H/d=2 时，Nu 达到最大有初始横流的射流冲击冷却进行了研究，研究结果表明加和射流上游域区的换热系数减小，初始横流流量的增加会初始横流会削弱射流冲击的冷却效果。研究单个孔射流冲阵列射流冷却的流动与换热特性研究奠定了坚实的基础。

南京航空航天大学硕士学位论文2.2 气膜冷却气膜冷却（图 1.3）基本原理是将一股较冷的二次流沿一定角度、形状的孔喷射进入主，在孔出口下游表面形成一层靠近壁面的冷气薄膜，将壁面与主流的高温气体分开，从高温气体与壁面的换热，同时吸收部分高温燃气辐射到壁面的热量，从而达到降低壁面效果[8]。

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本文编号：2827537