旋转状态下回转通道内部流动与换热特性研究.pdf

1、带肋回转通道是广泛使用的一种典型的涡轮叶片冷却结构，它使用多腔通道组合冷却方式来合理利用冷气增强内壁面换热。为详细了解多腔带肋回转通道的壁面换热及压力分布特征，掌握旋转条件、出口流量分配比例对通道流动换热特性的影响。本文针对某型燃气涡轮动叶的带肋回转通道，采用实验和数值模拟的方法进行了系统的研究。
　　实验研究采用了放大模型，建立了旋转全表面换热测量实验系统。根据叶片内通道结构特点，回转通道实验模型是由2个转弯段连接的3个带肋通道

2、组成，径向出流第1、3通道为梯形截面通道，径向入流第2通道为矩形截面通道，入口位于第1通道底部，出口1位于第1转弯段顶部，出口2、3分位于第3通道顶部和侧壁。第1、2通道的的压力面、吸力面上交错分布着14个90°矩形直肋，第3通道的压力面、吸力面上交错分布着16个90°楔形直肋，肋高与通道水力直径之比为0.107:1，肋距与肋高之比为12.58:1。实验入口雷诺数范围为Re=5000~20000，出口1、2、3占入口的质量流量比例为27

3、％、49%、24%(3个出口均出流)，27%、0%、73%(出口2不出流)和27%、73%、0%(出口3不出流)，实验旋转数范围为0~0.09、旋转半径与通道入口水力直径比为46.4。采用了瞬态液晶测量技术测量压力面的换热分布。数值模拟研究采用了与实验模型相同的计算域，针对实验研究典型工况进行研究，增加了旋转半径与通道入口水力直径比变化的流动换热特性研究。
　　经过实验和数值模拟，本文得出以下结论：
　　1.在建立的旋转内流

4、通道全表面换热实验系统上，实现了旋转状态下液晶换热测量，突破旋转图像采集、数据传输和记录、气流快速加热等关键技术后，利用液晶测量方法获得了高分辨率回转通道全表面换热分布，尤其在旋转全表面测量上表现出较大优势。在实验研究条件下，采用瞬态液晶测试技术的换热系数测量误差可控制在10%以内。
　　2.肋的扰流阻力、出流损失和转弯效应均影响沿程压力系数分布。在不同雷诺数下，沿程压力系数变化规律相同，压力系数沿流向逐渐减小，小雷诺数下局部流动

5、损失较大。不同出流比下，沿程压力系数在第3通道的差距较大，出口2不出流时压力系数降幅最大，沿程流动损失最大。旋转作用力使回转通道各段的压力系数改变，径向出流通道的压力系数降幅减小，径向入流通道的压力系数降幅增大，旋转半径增加对沿程压力系数的增减幅度影响更加明显。
　　3.不同雷诺数的压力面换热分布相似，肋的扰流使主流边界层分离和再附着，增加了壁面的湍流度，使肋间换热系数升高；转弯分离使下游回转通道换热分布不均，靠近转弯下游换热系数

6、较低，远离转弯下游换热系数较高，壁面换热沿流向逐渐均匀。流量分配比例仅影响第3通道壁面换热分布，出口2流量减小造成第3通道换热分布不均匀性加强。
　　4.随着旋转数的增加，径向出流压力面的换热系数增加，第3通道高换热区向通道内侧偏移；径向入流通道的压力面的换热系数稍有减小，第2通道右侧的单涡高换热区变为左右两侧的双涡高换热区，双涡高换热区沿流向逐渐左偏，最终合并；随旋转半径增加，壁面的换热分布不变，换热系数稍有增加。
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7、.各段带肋通道壁面的沿程展向平均换热系数均呈多波峰状分布，沿流向肋扰流造成的换热强化区逐渐减小，转弯造成下游通道肋间波峰向前肋下游偏移。肋间平均换热系数沿流向变化规律与沿程展向平均换热系数相似。
　　6.数值模拟发现，随着旋转半径与通道入口水力直径比的增加，壁面局部换热系数稍有增大，转弯连接造成各段通道壁面换热分布与单通道明显不同，回转通道的沿程肋间平均换热系数明显偏高，数值模拟基本能够预测壁面换热分布规律，具体计算数值比是实验结