狭小受限空间内气膜孔流量系数的数值模拟和实验研究

论文摘要

本文以一种基于旋流增益的强化换热技术为研究对象,分析在狭小受限空间内冲击/气膜复合冷却的流动特性,特别针对狭小受限冷却通道(冷却通道高度小于或等于气膜孔直径)中气膜孔附近的流场结构和流量系数开展了数值模拟和实验研究。首先针对受限狭小空间内气膜出流的物理模型,利用无量纲分析技术得到了影响气膜孔流量系数的各种因素,为进一步的数值模拟和实验研究奠定了基础。实验中,采用高精度的涡街流量计,结合微压计等测试设备,通过改变气膜孔雷诺数Re、吹风比M、无量纲冷却通道高度h /d等参数,细致研究了狭小空间的几何结构、流场变化对单排气膜孔平均流量系数的影响规律,得到了流量系数随气膜孔雷诺数Re、吹风比M、无量纲冷却通道高度h /d等参数变化的经验准则关系式。实验研究中发现:随着气膜孔雷诺数Re的增加,在主流雷诺数Re∞保持不变的工况下,流量系数逐步增加,并且随着主流雷诺数Re∞的增加,该规律保持不变,但是流量系数的绝对值随着主流雷诺数Re∞的增加而降低。随着吹风比M的变大,在给定气膜孔雷诺数Re下,气膜孔流量系数Cd逐步增大。并且当吹风比M <1时,气膜孔流量系数Cd随着吹风比M的增大而快速增大,变化明显;而当吹风比M >1时, Cd随着吹风比M的增大缓慢增加;随着h /d的减小,气膜孔流量系数Cd逐渐降低。当气膜孔雷诺数Re>9500时, h /d的变化对气膜孔流量系数Cd的影响尤为显著。本文还进一步通过CFD软件Fluent,数值模拟了实验工况下,狭小受限空间内气膜孔流量系数的变化规律,并与实验结果进行了比较,两者基本吻合。在数值计算模型和方法得到验证的基础上,数值计算中通过改变无量纲冷却通道高度h /d、吹风比M和气膜孔Re数等参数,进一步分析了受限冷却通道中,特别是气膜孔附近的流动特性和流场结构,以及气膜孔流量系数的变化趋势。计算结果表明:在相同气膜孔雷诺数Re下,Cd受吹风比M的影响较大,并随吹风比的增大而增大,在吹风比M <1的工况下,其影响尤为明显;在同一吹风比M条件下,流量系数Cd随着气膜孔雷诺数Re的增大而减小,但变化的幅度不大;气膜孔雷诺数Re不变的情况下,h /d对流量系数Cd的影响比较明显,当h /d <0.75时,Cd随着h /d的减小快速降低;当h /d =0.75和h /d =1时,Cd同样随着h /d的减小而降低,但变化趋势不明显。综合本文数值模拟和实验研究结果分析表明,由于狭小受限空间( h /d <1)中,通道壁面强烈地影响了气膜孔附近的流场结构,使其流动特性显著区别于常规尺寸下的气膜出流,并导致狭小受限空间中随着吹风比M和气膜孔雷诺数Re的变化,流量系数Cd的绝对值发生了明显改变。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 涡轮叶片冷却技术的发展
• 1.3 气膜孔流量系数的研究现状
• 1.3.1 几何因素对气膜孔流量系数的影响
• 1.3.2 肋等结构对气膜孔流量系数的影响
• 1.3.3 气流通道内外流运动状态对气膜孔流量系数的影响
• 1.4 本文研究内容
• 第二章 基本理论及物理模型
• 2.1 物理模型及几何参数
• 2.2 基本控制方程
• 2.3 边界条件
• 2.4 控制方程的无量纲分析
• 2.5 实验参数的确定
• 第三章 狭小受限空间内气膜孔流量系数的实验系统设计
• 3.1 实验设计方案I
• 3.1.1 供气系统
• 3.1.2 实验段
• 3.1.3 测量系统
• 3.1.4 实验件及实验工况
• 3.1.4.1 实验件
• 3.1.4.2 实验工况
• 3.1.5 实验数据处理方法
• 3.1.5.1 流量系数的定义
• 3.1.5.2 气膜孔雷诺数的定义
• 3.1.5.3 流量换算公式
• 3.1.6 实验数据分析
• 3.1.6.1 设计方案I 实验结果与Gritsch实验结果比较
• 3.1.6.2 实验误差分析
• 3.2 实验改进方案I
• 3.2.1 供气系统
• 3.2.2 流量测试系统
• 3.2.2.1 主流槽道流量计质量流量计算
• 3.2.2.2 次流槽道流量计质量流量计算
• 3.2.2.3 NI-LabView 数据采集系统
• 3.2.3 改进方案I 中采用的仪器及其精度
• 3.2.4 改进方案I 实验结果与Gritsch实验结果比较
• 3.2.5 实验误差分析
• 3.3 实验改进方案II
• 3.3.1 流量测试系统
• 3.3.1.1 涡街流量计的工作原理
• 3.3.1.2 涡街流量计的组成
• 3.3.1.3 涡街流量计换算公式
• 3.3.2 压力测试系统
• 3.3.3 改进方案II 中采用的仪器及其精度
• 3.3.4 改进方案II 实验结果与Gritsch实验结果比较
• 第四章 狭小受限空间内气膜孔流量系数的实验研究
• 4.1 实验系统及实验工况
• 4.1.1 实验段
• 4.1.2 实验件
• 4.1.3 气膜孔流量系数实验工况
• 4.2 实验数据处理方法
• 4.2.1 流量系数的定义
• 4.2.2 气膜孔雷诺数的定义
• 4.2.3 吹风比的定义
• 4.3 实验结果与分析
• 4.3.1 气膜孔雷诺数Re对气膜孔流量系数Cd 的影响
• 4.3.2 吹风比M 对气膜孔流量系数Cd 的影响
• 4.3.3 无量纲冷却通道高度h / d 对气膜孔流量系数Cd 的影响
• 4.4 流量系数经验公式
• 4.4.1 流量系数经验关系式整理
• 4.4.2 经验公式的误差范围
• 4.5 本章小结
• 第五章 狭小受限空间内气膜孔流量系数的数值模拟
• 5.1 湍流模型
• 5.1.1 Realizable k? ε模型
• 5.2 计算模型
• 5.3 网格划分
• 5.4 计算边界条件及计算工况
• 5.5 控制方程求解
• 5.6 计算相关参数定义
• 5.7 网格独立性实验
• 5.8 计算结果分析
• 5.8.1 计算可靠性验证
• 5.8.2 气膜孔附近流场特性分析
• 5.8.3 吹风比M 对流量系数Cd 的影响
• 5.8.4 气膜孔雷诺数Re对流量系数Cd 的影响
• 5.8.5 无量纲冷却通道高度h / d 对流量系数Cd 的影响
• 5.9 本章小结
• 第六章 实验误差分析
• 6.1 装置误差
• 6.1.1 流量测量仪器
• 6.1.2 压力测量仪器
• 6.2 环境误差
• 6.3 人员误差
• 6.4 测量方法的误差
• 6.5 流量系数误差分析
• 第七章 总结及展望
• 7.1 本文总结
• 7.1.1 狭小受限空间内气膜孔流量系数的实验研究
• 7.1.2 狭小受限空间内气膜孔流量系数的数值模拟
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文