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目 录第 1 章 引 言 ..............................................................................................11.1 研 究 背 景 ...........................................................................................11.2 国 内 外 研 究 现 状 ................................................................................11.3 本 文 主 要 研 究 工 作 ............................................................................3第 2 章 内 部 冷 却 通 道 的 实 验 研 究 ............................................................42.1 研 究 对 象 的 定 义 ................................................................................42.2 带 气 膜 孔 抽 吸 的 内 部 冷 却 实 验 台 ......................................................72.2.1 实 验 台 改 造 工 作 ...........................................................................72.2.2 实 验 台 结 构 ...................................................................................92.3 测 量 方 法 .........................................................................................112.3.1 流 量 测 量 .....................................................................................112.3.2 压 力 测 量 .....................................................................................112.3.3 主 流 温 度 测 量 .............................................................................122.3.4 壁 面 温 度 场 测 量 .........................................................................122.4 带 气 膜 孔 抽 吸 内 部 冷 却 实 验 台 的 调 试 ............................................122.5 内 部 冷 却 实 验 流 程 ..........................................................................132.6 内 部 冷 却 数 据 处 理 ..........................................................................132.6.1 压 力 数 据 处 理 .............................................................................132.6.2 瞬 态 液 晶 实 验 原 理 ......................................................................132.7 带 气 膜 孔 抽 吸 的 内 部 冷 却 实 验 工 况 ................................................172.8 本 章 小 结 .........................................................................................17第 3 章 内 部 冷 却 通 道 的 实 验 结 果 ..........................................................183.1 光 滑 、 带 肋 和 抽 吸 内 部 冷 却 通 道 的 传 热 结 果 .................................183.2 光 滑 、 带 肋 和 抽 吸 内 部 冷 却 通 道 的 无 量 纲 压 力 分 布 ......................213.3 本 章 小 结 .........................................................................................22第 4 章 内 部 冷 却 通 道 的 雷 诺 平 均 (RANS) 模 拟 ..................................24III

[3]影 响 很 重 要 ,Yves Servouze 和 J. Chris Sturgis 等 进 行 了 方 形 截 面 的 旋 转 U 形 冷却 通 道 实 验 , 结 果 表 明 旋 转 产 生 的 二 次 流 会 导 致 前 缘 和 尾 缘 传 热 情 况 不 一 致 。[1]图 1.1 肋 片 导 致 分 离 再 附 示 意 图由 于 部 分 冷 却 流 体 从 内 部 通 道 中 喷 出 用 于 外 部 冷 却 , 通 道 内 流 动 和 传 热 会 产生 复 杂 的 变 化 , 因 此 带 气 膜 孔 的 内 部 冷 却 通 道 也 受 到 广 泛 关 注 。Srinath V Ekkad[4]等 在 1997 年 就 采 用 瞬 态 液 晶 技 术 研 究 了 不 同 肋 型 的 双 流 程 出 流 通 道 , 发 现 气 膜[5]孔 附 近 传 热 显 著 增 强 , 主 流 流 量 损 失 对 平 均 传 热 系 数 影 响 不 大 。 苏 福 彬 等 研 究了 带 气 膜 孔 的 直 通 道 , 结 果 表 明 出 流 作 用 主 要 强 化 了 出 流 孔 附 近 区 域 的 换 热 , 出流 比 的 增 加 对 全 表 面 的 平 均 换 热 系 数 和 换 热 增 强 程 度 基 本 没 什 么 影 响 。 丁 水 汀 等[6]用 放 大 模 型 研 究 了 涡 轮 叶 片 通 道 换 热 单 元 , 发 现 在 不 同 的 进 口 雷 诺 数 下 进 行 气膜 冷 却 实 验 , 当 开 孔 率 一 定 时 , 存 在 最 佳 出 流 比 , 当 气 膜 孔 出 流 比 一 定 时 , 存 在[7]最 佳 开 孔 率 。Gautam Pamula 等 研 究 了 带 气 膜 孔 的 双 流 程 通 道 中 肋 片 的 影 响 , 发现 第 一 流 程 中 的 肋 片 可 以 增 强 第 一 流 程 中 的 传 热 , 但 会 减 小 第 二 流 程 中 的 传 热 强[8]化 程 度 , 使 得 总 体 传 热 得 到 强 化 传 热 。 李 广 超 等 利 用 瞬 态 液 晶 技 术 研 究 了 带 肋及 气 膜 孔 出 流 矩 形 通 道 , 分 析 了 通 道 入 口 雷 诺 数 , 气 膜 孔 总 出 流 比 , 肋 角 度 和 气[9]膜 孔 位 置 对 压 力 系 数 , 流 量 系 数 和 换 热 系 数 的 影 响 。Douglas Thurman 等 研 究 了三 流 程 通 道 中 气 膜 孔 和 肋 片 的 交 互 作 用 , 结 果 表 明 将 肋 片 布 置 在 气 膜 孔 附 近 能 更[10]有 效 地 增 强 换 热 , 任 意 出 流 比 均 可 增 强 换 热 。Frank Zehnder 等 研 究 了 带 气 膜 孔双 流 程 通 道 中 导 流 板 对 弯 头 的 影 响 , 发 现 内 导 流 板 或 内 外 导 流 板 结 合 可 以 有 效 地[11]减 小 弯 头 处 的 压 力 损 失 , 仅 设 置 外 导 流 板 反 而 增 加 压 力 损 失 。D.Chanteloup 等结 合 PIV 和 瞬 态 液 晶 两 种 手 段 分 别 对 双 流 程 带 气 膜 孔 冷 却 通 道 的 流 动 和 传 热 进 行[12]了 详 细 的 测 量 , 揭 示 了 气 膜 孔 造 成 的 各 种 二 次 流 偏 移 和 传 热 改 变 。 倪 萌 等 使 用基 于 航 空 发 动 机 涡 轮 叶 片 的 放 大 模 型 , 研 究 了 内 冷 通 道 中 气 膜 孔 与 肋 的 相 对 位 置和 通 道 截 面 对 流 量 系 数 C d 的 影 响 情 况 , 发 现 位 于 肋 下 游 的 气 膜 孔 流 量 系 数 低 于 中2

间 孔 和 肋 上 游 孔 , 而 通 道 截 面 则 通 过 气 膜 孔 雷 诺 数 大 小 间 接 影 响 了 气 膜 孔 的 流 量系 数 。由 于 内 部 冷 却 通 道 的 实 验 研 究 成 本 高 , 现 有 的 测 试 技 术 也 难 以 实 现 高 温 高 流量 工 况 , 因 此 数 值 模 拟 也 大 量 用 于 预 测 内 部 冷 却 通 道 的 传 热 和 流 动 情 况 。 目 前 针对 内 部 冷 却 通 道 的 数 值 模 拟 方 法 主 要 有 雷 诺 时 均 (RANS)、 脱 体 涡 模 拟 (DES)和 大 涡 模 拟 (LES)。RANS 方 法 计 算 成 本 较 低 , 采 用 简 单 湍 流 模 型 时 精 度 较 低 ,[13]但 使 用 复 杂 湍 流 模 型 仍 能 得 到 较 好 结 果 。Marco 等 采 用 RANS 方 法 , 同 时 使 用了 低 雷 诺 数 k-ε、 低 雷 诺 数 k-ω-SST 和 v 2 -f 模 型 预 测 了 侧 壁 出 流 对 双 流 程 通 道 的影 响 , 认 为 k-ε 和 k-ω-SS 模 型 对 进 口 通 道 的 传 热 数 据 的 预 测 比 较 准 确 , 但 是 对 于弯 头 区 传 热 的 预 测 偏 低 , 对 二 次 流 与 尾 缘 碰 撞 的 影 响 预 测 偏 高 ;v 2 -f 模 型 对 传 热的 预 测 偏 差 大 , 但 是 趋 势 捕 捉 正 确 。Evan A. Sewall 和 Danesh K. Tafti [14] 对 燃 气 轮机 内 冷 通 道 的 弯 头 区 域 进 行 了 LES 模 拟 , 较 好 地 预 测 了 弯 头 中 部 的 反 向 Dean 涡和 外 侧 壁 面 冲 击 造 成 的 显 著 传 热 强 化 。1.3 本 文 主 要 研 究 工 作根 据 文 献 调 研 结 果 , 气 膜 抽 吸 作 用 下 的 内 部 冷 却 流 动 传 热 机 理 还 不 是 很 明 确 。目 前 对 该 问 题 的 研 究 主 要 针 对 直 通 道 , 无 法 解 释 真 实 内 部 冷 却 通 道 中 的 复 杂 流动 , 尤 其 是 弯 头 大 分 离 与 气 膜 孔 抽 吸 的 交 互 作 用 。 因 此 本 文 选 取 带 气 膜 孔 的 矩 形弯 头 U 形 带 肋 通 道 作 为 研 究 对 象 , 采 用 瞬 态 液 晶 测 量 技 术 对 光 滑 通 道 、 无 抽 吸 的带 肋 通 道 和 有 气 膜 孔 抽 吸 的 带 肋 通 道 表 面 的 传 热 分 布 进 行 了 详 细 测 量 和 对 比 , 同时 采 用 RANS 数 值 模 拟 方 法 研 究 其 流 动 和 传 热 特 性 , 以 期 分 析 肋 片 、 弯 头 和 气 膜孔 交 互 作 用 条 件 下 , 内 部 冷 却 的 流 动 传 热 机 理 。3

第 2 章 内 部 冷 却 系 统 的 实 验 研 究2.1 研 究 对 象 的 定 义燃 机 透 平 第 一 级 动 叶 中 , 由 180° 弯 头 连 接 的 多 个 直 通 道 构 成 了 内 部 冷 却 蛇 形通 道 , 冷 却 空 气 沿 程 流 过 带 走 高 温 叶 片 的 热 量 , 然 后 从 叶 顶 和 壁 面 气 膜 孔 以 及 尾缘 喷 出 与 主 流 掺 混 。 如 图 2.1 所 示 , 内 部 冷 却 通 道 结 构 有 三 个 特 点 :(1) 内 部 冷 却通 道 对 应 吸 力 面 和 压 力 面 的 壁 面 上 浇 铸 有 肋 片 结 构 , 以 增 强 通 道 内 部 的 传 热 ;(2)通 道 中 存 在 两 种 不 同 形 式 的 弯 头 , 即 叶 顶 处 的 矩 形 弯 头 和 靠 近 叶 根 处 的 圆 弧 弯头 ;(3) 部 分 通 道 壁 面 和 顶 部 开 设 气 膜 孔 , 从 而 在 叶 片 表 面 形 成 冷 却 气 膜 , 以 隔 绝高 温 燃 气 。冷 却 空 气(a) 内 部 冷 却 通 道 示 意 图(b) 501-F 发 动 机 透 平 第 一 级 动 叶图 2.1 内 部 冷 却 通 道 结 构为 方 便 实 验 研 究 , 通 常 对 内 部 冷 却 通 道 的 截 面 形 状 、 弯 头 形 式 、 肋 片 类 型 以及 气 膜 孔 构 型 进 行 不 同 程 度 的 简 化 。 本 文 的 研 究 重 点 关 注 气 膜 孔 、 肋 片 和 弯 头 的4

交 互 作 用 , 将 内 部 冷 却 通 道 简 化 为 带 180° 弯 头 和 垂 直 于 壁 面 (90° 倾 斜 角 ) 气 膜孔 的 矩 形 等 截 面 通 道 。为 对 比 弯 头 、 肋 片 和 气 膜 孔 的 作 用 , 本 文 定 义 了 光 滑 通 道 、 无 抽 吸 的 带 肋 通道 和 有 气 膜 孔 抽 吸 的 带 肋 通 道 三 种 通 道 。 图 2.2 所 示 为 通 道 几 何 参 数 的 定 义 。图 2.2 通 道 几 何 参 数 的 定 义图 2.3 是 光 滑 通 道 结 构 图 。 它 由 180° 矩 形 弯 头 连 接 两 等 截 面 直 通 道 构 成 。 直通 道 长 宽 比 为 1, 直 通 道 长 度 与 水 力 直 径 之 比 L/D h =16, 分 隔 壁 厚 度 与 水 力 直 径 之比 t/D h =0.2。图 2.3 光 滑 通 道 几 何 模 型图 2.4 是 无 抽 吸 的 带 肋 通 道 结 构 图 。 它 在 光 滑 通 道 各 通 道 顶 部 和 底 部 表 面 添加 了 13 个 45° 肋 片 。 肋 片 间 距 与 肋 片 高 度 之 比 P/e=10, 肋 片 高 度 与 水 力 直 径 之 比e/D h =0.1。5

图 2.4 带 肋 通 道 几 何 模 型图 2.5 是 有 气 膜 孔 抽 吸 的 带 肋 通 道 结 构 图 。 它 在 无 抽 吸 带 肋 通 道 的 一 侧 带 肋壁 面 上 , 开 设 了 22 个 肋 间 气 膜 孔 和 3 个 弯 头 气 膜 孔 , 孔 轴 线 与 壁 面 垂 直 。 气 膜孔 直 径 与 水 力 直 径 之 比 d/Dh=0.08, 肋 间 气 膜 孔 布 置 在 肋 间 区 域 中 心 , 孔 间 距 与肋 片 间 距 之 比 为 1, 弯 头 气 膜 孔 和 顶 部 距 离 与 水 力 直 径 之 比 为 0.58., 弯 头 孔 间 距与 肋 片 间 距 之 比 为 0.6。图 2.5 抽 吸 通 道 几 何 模 型6

图 2.6 抽 吸 通 道 主 视 图 ( 单 位 :mm)表 2.1 给 出 了 实 验 段 的 部 分 几 何 参 数 。表 2.1 实 验 段 部 分 几 何 参 数参 数 ( 符 号 )大 小肋 片 间 距 (P) 50mm肋 片 高 度 (e) 5mm肋 片 角 度 45°水 利 直 径 (D h ) 50mm实 验 段 厚 度 20mm直 通 道 长 度 (L) 800mm弯 头 间 隙 50mm2.2 实 验 台 介 绍2.2.1 实 验 台 改 造 工 作为 了 进 行 对 带 气 膜 孔 抽 吸 内 部 冷 却 系 统 的 实 验 研 究 , 本 课 题 组 针 对 原 有 内 部冷 却 机 理 实 验 台 进 行 了 改 建 。 改 建 工 作 主 要 包 括 实 验 段 和 抽 吸 系 统 的 设 计 、 加 工和 装 配 。 图 2.7~2.9 为 实 验 段 、 抽 吸 管 路 和 抽 吸 腔 室 的 设 计 图 。实 验 段 根 据 可 拆 卸 的 原 则 设 计 , 全 部 实 验 件 采 用 有 机 玻 璃 制 作 , 以 满 足 瞬 态液 晶 实 验 的 要 求 。 进 口 收 敛 段 与 侧 壁 和 隔 板 固 连 , 前 后 带 肋 板 通 过 螺 钉 与 侧 壁 连接 , 前 盖 板 开 设 气 膜 孔 。 实 验 段 通 过 法 兰 与 实 验 台 其 他 系 统 连 接 。抽 吸 系 统 设 计 工 作 主 要 包 括 : 抽 吸 腔 室 的 设 计 和 抽 吸 管 路 的 设 计 装 配 。 抽 吸腔 室 分 为 四 个 侧 壁 和 前 端 盖 板 , 侧 壁 与 实 验 段 前 盖 板 螺 钉 连 接 , 前 端 盖 板 采 用5mm 有 机 玻 璃 薄 板 制 作 与 侧 壁 密 封 为 抽 吸 腔 室 。 抽 吸 腔 室 左 侧 开 孔 通 过 软 管 与 稳流 箱 连 接 , 稳 流 箱 左 侧 接 入 一 寸 直 径 的 抽 吸 管 路 , 经 过 流 量 计 和 阀 门 最 终 通 过 三通 管 与 主 流 管 路 汇 合 接 入 离 心 抽 气 式 风 机 。7

图 2.7 基 础 实 验 段 设 计 图 纸图 2.8 抽 吸 管 路 设 计 图 纸8

图 2.9 抽 吸 间 设 计 图 纸2.2.2 实 验 台 结 构 :改 造 完 毕 的 实 验 台 结 构 如 图 2.10 所 示 , 实 验 台 分 为 实 验 段 、 管 路 系 统 和 测 量系 统 三 部 分 。图 2.10 实 验 台 示 意 图9

抽 吸 实 验 段 包 含 实 验 段 和 抽 吸 腔 室 , 如 图 2.11 所 示 。 材 料 为 有 机 玻 璃 , 具 有良 好 的 光 学 特 性 及 较 低 的 导 热 系 数 。 实 验 通 道 内 侧 壁 面 喷 涂 液 晶 , 液 晶 上 部 喷 涂一 层 黑 色 底 漆 以 增 强 液 晶 颜 色 的 显 示 效 果 。图 2.11 带 抽 吸 的 实 验 段 照 片测 量 系 统 包 含 U 型 水 压 力 计 、 涡 街 流 量 计 、 铠 装 热 电 偶 、 数 据 采 集 器 、 光 源 、CCD 相 机 和 计 算 机 , 分 别 用 于 沿 程 压 力 、 流 量 、 主 流 温 度 和 壁 面 温 度 场 的 测 量 。通 流 管 路 包 括 进 口 处 的 加 热 器 、 流 经 实 验 段 的 主 流 管 路 ( 之 前 有 栅 格 )、 不 经实 验 段 的 旁 路 、 抽 吸 管 路 、 阀 门 和 离 心 式 风 机 , 为 使 流 动 更 稳 定 通 流 部 分 采 取 吸气 式 的 布 局 , 实 验 时 管 路 内 为 负 压 状 态 。图 2.12 抽 吸 管 路 与 主 流 管 路 结 合 部 分10

2.3 测 量 方 法2.3.1 流 量 测 量实 验 流 量 包 含 主 流 流 量 和 抽 吸 流 量 的 测 量 。 主 流 流 量 采 用 量 程 2000m 3 /h 的 涡街 流 量 计 , 基 本 误 差 为 1%。 抽 吸 流 量 采 用 量 程 170m 3 /h 的 涡 街 流 量 计 测 量 , 基本 误 差 为 1%。 抽 吸 流 量 计 如 图 2.13 所 示 。图 2.13 抽 吸 涡 街 流 量 计2.3.2 压 力 测 量实 验 段 共 布 置 25 个 直 径 1mm 的 压 力 测 点 , 如 图 2.14 实 线 所 示 , 其 中 包 含 1个 收 敛 段 前 的 测 点 、22 个 实 验 段 测 点 和 2 个 抽 吸 间 测 点 。 各 点 表 压 通 过 U 型 水压 力 计 读 取 , 误 差 约 1mm 水 柱 。图 2.14 压 力 测 点 和 主 流 温 度 测 点 的 布 置11

2.3.3 主 流 温 度 测 量主 流 温 度 的 测 量 是 该 实 验 的 难 点 , 需 要 尽 量 少 布 置 热 电 偶 以 减 小 对 流 场 的 干扰 。 实 验 段 共 布 置 6 个 温 度 测 点 , 测 点 沿 程 布 置 在 进 出 口 、 直 通 道 和 弯 头 处 , 如图 2.14 虚 线 所 示 。 其 中 进 口 布 置 2 个 热 电 偶 检 验 温 度 均 匀 性 , 直 通 道 中 热 电 偶 用于 检 验 温 度 线 性 插 值 的 合 理 性 。 沿 程 主 流 温 度 分 布 通 过 进 出 口 和 弯 头 线 性 插 值 得到 。 温 度 通 过 I 级 K 型 铠 装 热 电 偶 测 量 , 通 过 Agilent 34980A 数 据 采 集 器 采 集 ,采 用 内 部 温 度 补 偿 , 相 对 误 差 为 0.75%。由 于 热 电 偶 数 据 采 样 受 到 周 围 电 磁 设 备 干 扰 , 需 要 编 写 合 理 的 后 处 理 程 序 ,消 除 实 验 中 热 电 偶 所 测 的 主 流 温 度 数 据 的 噪 点 , 得 到 光 滑 的 主 流 温 度 近 似 阶 跃 曲线 。 同 时 热 电 偶 所 测 得 的 中 心 线 温 度 不 能 代 表 截 面 平 均 温 度 , 应 采 用 合 理 的 修 正 。2.3.4 壁 面 温 度 场 测 量壁 面 温 度 场 通 过 瞬 态 液 晶 实 验 测 量 , 详 见 瞬 态 液 晶 实 验 原 理 。2.4 实 验 台 调 试 工 作 :实 验 台 调 试 工 作 主 要 包 括 :(1) 光 源 调 试 , 通 过 调 整 光 源 位 置 、 相 机 角 度 和 周围 的 遮 光 、 反 光 材 料 进 行 布 置 , 使 拍 摄 范 围 内 实 验 段 各 个 位 置 光 强 和 色 调 之 分 布均 匀 , 避 免 因 光 强 过 大 或 过 小 造 成 颜 色 变 化 难 以 捕 捉 , 由 于 紫 外 线 会 损 伤 热 敏 液晶 分 子 , 红 外 线 会 对 实 验 段 产 生 加 热 作 用 , 光 源 系 统 选 择 冷 光 源 。 本 次 研 究 采 用灯 管 代 替 原 有 点 光 源 , 以 期 获 得 更 好 的 光 强 均 匀 性 。 图 2.15 以 表 面 色 调 分 布 为 例给 出 了 调 试 后 的 光 源 均 匀 性 。(2) 通 流 管 路 调 试 , 确 定 气 体 无 泄 漏 , 压 力 测 量 管 路畅 通 。(3) 温 度 测 量 系 统 调 试 , 确 定 热 电 偶 安 装 良 好 , 数 据 采 集 器 工 作 正 常 。图 2.15 调 试 后 的 色 调 值 分 布12

2.7 实 验 工 况带 肋 通 道 的 传 热 特 性 取 决 于 其 流 动 参 数 和 几 何 特 性 , 流 动 参 数 主 要 反 映 为 雷诺 数 的 影 响 , 几 何 特 性 主 要 包 括 肋 片 高 度 、 间 距 、 角 度 , 弯 头 和 气 膜 孔 等 因 素 ,本 实 验 中 着 重 研 究 肋 片 、 弯 头 和 气 膜 孔 等 几 何 因 素 对 传 热 流 动 的 影 响 。 采 用 前 述瞬 态 液 晶 方 法 , 开 展 不 同 工 况 下 的 实 验 , 并 通 过 选 取 典 型 实 例 , 分 别 分 析 肋 片 和气 膜 孔 抽 吸 对 传 热 特 性 和 流 动 阻 力 的 影 响 。 共 进 行 7 组 实 验 , 表 2.2 列 出 了 相 应实 验 工 况 。表 2.2 实 验 工 况 列 表通 道 形 式工 况光 滑 通 道Re=50000、60000、70000、80000无 气 膜 孔 的 带 肋 通 道Re=50000、60000带 气 膜 孔 的 带 肋 通 道 Re=50000, 抽 吸 量 =13%2.8 本 章 小 结本 章 介 绍 了 实 验 对 象 的 物 理 来 源 , 实 验 台 的 结 构 以 及 实 验 基 本 原 理 。 实 验 中采 用 的 瞬 态 液 晶 实 验 方 法 有 热 损 失 小 , 实 验 效 率 高 , 无 须 全 温 度 范 围 标 定 等 优 点 。实 验 的 直 接 目 标 为 获 得 表 面 传 热 系 数 分 布 及 沿 程 压 力 损 失 情 况 。 实 验 中 获 取 传 热分 布 所 需 的 最 重 要 参 数 是 液 晶 变 色 时 间 和 主 流 温 度 。 为 保 证 实 验 精 度 必 须 合 理 布置 光 源 系 统 , 满 足 半 无 限 大 平 板 模 型 的 适 用 条 件 , 确 保 各 参 数 测 量 的 同 步 进 行 。实 验 台 的 设 计 难 点 在 于 抽 吸 量 的 确 定 和 调 节 , 最 大 抽 吸 量 与 管 路 设 计 直 接 相 关 ,最 好 预 估 管 道 阻 力 ; 最 小 抽 吸 量 则 与 实 验 段 的 结 构 相 关 , 在 调 小 抽 吸 量 的 同 时 需要 保 证 各 气 膜 孔 均 处 于 抽 吸 状 态 , 防 止 流 体 倒 灌 。 实 验 的 难 点 在 于 主 流 温 度 的 测量 , 需 要 尽 量 少 布 置 热 电 偶 以 减 小 对 流 场 的 干 扰 , 同 时 热 电 偶 所 测 得 的 中 心 线 温度 不 能 代 表 截 面 平 均 温 度 , 应 采 用 合 理 的 修 正 。 实 验 结 果 后 处 理 的 难 点 在 于 编 写合 理 的 后 处 理 程 序 , 一 是 消 除 实 验 中 热 电 偶 所 测 的 主 流 温 度 数 据 的 噪 点 , 得 到 光滑 的 近 似 阶 跃 曲 线 ; 二 是 通 过 CCD 相 机 采 集 的 图 像 准 确 判 断 出 绿 色 峰 值 点 对 应的 时 间 , 消 除 变 色 时 间 的 噪 点 。17

第 3 章 内 部 冷 却 通 道 实 验 结 果本 次 研 究 在 改 造 完 毕 的 内 部 冷 却 实 验 台 上 进 行 了 基 于 瞬 态 液 晶 技 术 的 传 热 实验 , 对 光 滑 、 带 肋 和 抽 吸 三 种 不 同 配 置 的 实 验 段 中 的 流 动 传 热 特 性 进 行 了 详 细 测量 , 获 得 了 表 面 传 热 系 数 分 布 和 沿 程 壁 面 压 降 分 布 。 本 文 选 取 进 口 Re=50000 的典 型 工 况 进 行 详 细 分 析 。3.1 光 滑 、 带 肋 和 抽 吸 内 部 冷 却 系 统 的 传 热 结 果光 滑 通 道 弯 头 前 区 域 的 传 热 分 布 符 合 典 型 的 管 流 特 征 , 见 图 3.1a。 由 于 进 口处 有 一 定 湍 流 度 的 来 流 得 到 充 分 发 展 , 整 个 弯 头 前 区 域 的 努 塞 尔 数 接 近 于 经 验 关联 式 的 大 小 ,Nu 接 近 于 Nu 0 , 体 现 了 实 验 结 果 的 合 理 性 。 弯 头 下 游 紧 贴 隔 板 区 域传 热 系 数 较 低 , 这 是 由 于 气 体 在 此 处 产 生 的 大 分 离 造 成 的 。 弯 头 处 的 分 离 和 回 流区 导 致 了 流 道 有 效 面 积 变 窄 , 流 体 在 弯 头 区 加 速 明 显 , 其 对 弯 头 后 区 域 的 冲 击 作用 使 得 弯 头 区 的 传 热 分 布 沿 流 程 逐 渐 加 强 , 并 在 下 游 约 1 倍 水 利 直 径 处 形 成 传 热系 数 峰 值 区 。 随 着 流 体 在 弯 头 后 区 域 的 继 续 发 展 , 弯 头 引 起 的 冲 击 作 用 逐 渐 减 弱 ,流 动 逐 渐 回 复 到 光 滑 管 流 的 状 态 , 传 热 系 数 也 逐 渐 恢 复 到 弯 头 前 水 平 。带 肋 通 道 的 传 热 分 布 见 图 3.1b。 直 通 道 部 分 中 , 由 于 肋 片 的 引 入 , 通 道 中 的传 热 得 到 明 显 地 强 化 。 一 方 面 , 流 体 在 肋 片 表 面 发 生 分 离 , 随 后 再 附 着 在 肋 片 间区 域 。 流 动 边 界 层 被 破 坏 , 同 时 肋 片 扰 流 也 增 强 了 主 流 湍 流 度 , 使 得 靠 近 表 面 的热 量 有 效 地 散 入 主 流 , 从 而 提 高 传 热 系 数 。 另 一 方 面 , 流 体 在 45 度 肋 片 作 用 下 ,逐 渐 形 成 了 横 向 二 次 流 。 在 4~5 个 肋 片 后 , 该 二 次 流 发 展 稳 定 , 流 动 呈 现 周 期 性变 化 , 传 热 分 布 规 律 也 呈 现 周 期 性 特 征 。 在 弯 头 区 , 由 于 上 游 肋 片 形 成 二 次 流 的影 响 , 传 热 在 流 体 开 始 折 转 的 地 方 就 得 到 加 强 。 强 化 区 域 随 着 折 转 离 心 力 的 作 用呈 现 弧 形 分 布 , 使 得 弯 头 内 侧 传 热 显 著 强 于 外 侧 , 分 布 不 均 匀 。 在 下 游 第 一 个 肋片 后 , 由 于 弯 头 加 速 和 冲 击 与 肋 片 分 离 再 附 作 用 的 共 同 影 响 , 形 成 传 热 峰 值 区 。弯 头 冲 击 和 加 速 作 用 的 影 响 在 下 游 第 三 个 肋 片 以 后 显 著 减 弱 , 肋 片 对 流 动 的 影 响重 新 占 主 导 地 位 , 传 热 分 布 恢 复 周 期 性 。18

抽 吸 通 道 在 抽 吸 量 为 13% 的 工 况 下 , 整 体 传 热 水 平 和 带 肋 通 道 相 当 , 但 在 传热 分 布 规 律 上 有 明 显 差 异 , 见 图 3.1c。 在 肋 片 间 区 域 , 一 方 面 , 抽 吸 孔 附 近 形 成了 一 个 新 的 高 传 热 系 数 区 , 该 高 传 热 系 数 区 在 孔 的 周 围 沿 着 壁 面 附 近 流 动 方 向 分布 。 这 是 因 为 , 抽 吸 作 用 使 得 孔 上 游 的 流 体 加 速 , 增 强 了 换 热 。 而 在 孔 下 游 , 由于 边 界 层 流 体 被 抽 吸 和 破 坏 , 边 界 层 在 孔 下 游 重 新 生 成 和 发 展 , 厚 度 较 薄 , 因 此换 热 能 力 也 很 强 。 另 一 方 面 , 由 于 部 分 流 体 被 抽 吸 出 通 道 , 主 流 流 体 由 于 肋 片 引起 的 横 向 二 次 流 强 度 有 所 减 弱 , 因 此 , 肋 片 间 原 来 的 高 传 热 系 数 区 有 所 缩 小 。 弯头 区 3 个 气 膜 孔 对 弯 头 传 热 分 布 规 律 影 响 不 大 , 仅 在 孔 附 近 区 域 产 生 强 化 。 下 游气 膜 孔 由 于 沿 程 压 力 损 失 , 抽 吸 量 显 著 降 低 , 抽 吸 对 传 热 的 强 化 效 果 减 弱 。 同 时由 于 主 流 流 量 的 减 小 , 传 热 在 下 游 第 五 个 肋 片 后 弱 于 带 肋 通 道 。(a) 光 滑 通 道(b) 带 肋 通 道(c) 抽 吸 通 道图 3.1 Re=50000 工 况 下 不 同 通 道 的 表 面 努 塞 尔 数 分 布19

为 定 量 分 析 整 体 传 热 的 变 化 规 律 , 本 文 求 取 肋 间 平 均 Nu 分 布 , 区 域 编 号 如图 3.2 所 示 。 图 3.3 是 Re=50000 情 况 下 , 三 种 通 道 肋 片 间 的 平 均 努 塞 尔 数 分 布 ( 不包 含 肋 片 和 气 膜 孔 )。图 3.2 区 域 编 号 及 平 均 范 围 示 意图 3.3 Re=50000 工 况 下 三 种 通 道 的 努 塞 尔 数 区 域 平 均 值相 比 于 光 滑 通 道 , 带 肋 和 抽 吸 通 道 的 传 热 整 体 水 平 显 著 增 强 , 沿 程 传 热 分 布差 异 较 小 , 有 利 于 减 小 叶 片 局 部 热 应 力 的 出 现 。对 比 带 肋 通 道 和 抽 吸 通 道 可 见 , 在 Re=50000 和 13% 抽 吸 比 工 况 下 , 气 膜 孔抽 吸 带 来 的 传 热 改 变 并 不 明 显 。 这 是 由 于 两 方 面 因 素 综 合 的 结 果 , 一 是 气 膜 孔 抽吸 导 致 肋 间 局 部 区 域 传 热 显 著 增 强 , 有 利 于 提 高 传 热 系 数 ; 二 是 主 流 流 量 的 减 小导 致 整 体 传 热 强 化 程 度 的 减 弱 。 实 验 结 果 说 明 , 在 燃 气 轮 机 叶 片 的 内 冷 通 道 中 ,20

将 13% 左 右 的 内 部 冷 却 流 体 用 于 气 膜 冷 却 , 流 量 的 降 低 不 会 明 显 影 响 内 部 冷 却 的效 果 。在 传 热 分 布 方 面 , 本 文 的 传 热 云 图 结 果 与 Han J.C 的 结 果 比 较 相 似 , 如 图 3.4所 示 。 在 孔 附 近 均 有 传 热 显 著 增 强 的 结 果 , 肋 间 区 域 的 传 热 分 布 也 都 显 现 周 期 大型 分 布 , 不 过 Han 的 实 验 采 用 的 是 60° 肋 片 , 所 以 肋 间 区 域 的 分 布 有 所 区 别 。(a) 本 文 的 实 验 结 果 ,45 度 肋 片 ,Re=50,000(b)Han 的 实 验 结 果 ,60 度 肋 片 ,Re=58,500AA图 3.4 与 其 它 实 验 结 果 的 对 比3.2 无 量 纲 压 力 分 布内 部 冷 却 通 道 的 压 力 损 失 也 是 衡 量 内 部 冷 却 通 道 冷 却 性 能 的 重 要 指 标 , 传 热增 强 往 往 伴 随 压 损 增 大 。 为 考 察 沿 程 的 压 力 分 布 , 沿 侧 壁 中 心 线 开 设 22 个 壁 面静 压 孔 测 量 压 力 , 参 见 第 二 章 。 图 3.5 为 压 力 测 点 分 布 图 , 本 文 将 压 力 测 点 的 距离 d 用 无 量 纲 距 离 x/D h 代 替 。 无 量 纲 压 力 定 义 参 见 第 二 章 数 据 处 理 , 同 时 本 文 以Re=50000 工 况 为 例 分 析 无 量 纲 压 力 分 布 趋 势 。图 3.5 无 量 纲 距 离 的 定 义21

光 滑 通 道 的 压 力 损 失 主 要 来 自 于 弯 头 , 带 肋 和 抽 吸 通 道 的 直 通 道 损 失 和 弯 头损 失 水 平 相 当 , 如 图 3.6 所 示 。 三 种 通 道 在 进 入 弯 头 中 部 和 下 游 角 点 时 , 压 力 均有 所 回 升 , 原 因 是 弯 头 处 角 涡 造 成 了 局 部 高 压 区 。 弯 头 下 游 部 分 是 各 通 道 压 力 最低 的 区 域 , 这 一 方 面 与 弯 头 大 分 离 造 成 的 耗 散 有 关 , 另 一 方 面 是 由 于 分 离 产 生 的回 流 区 在 此 阻 塞 流 道 造 成 外 侧 流 动 加 速 静 压 降 低 。 光 滑 通 道 在 弯 头 压 力 骤 降 之 后回 升 , 说 明 流 体 在 回 流 区 之 后 因 流 道 有 效 面 积 恢 复 而 再 次 减 速 。 带 肋 通 道 由 于 肋片 的 阻 碍 和 耗 散 , 压 力 进 一 步 损 失 而 没 有 明 显 的 压 力 回 升 。对 比 带 肋 和 抽 吸 通 道 可 以 看 出 , 气 膜 孔 抽 吸 作 用 使 得 通 道 压 力 损 失 水 平 降 低 ,这 主 要 由 于 部 分 流 体 被 抽 吸 后 , 减 小 了 弯 头 区 的 流 动 分 离 。 在 弯 头 区 和 下 游 , 抽吸 通 道 的 压 力 损 失 减 小 约 20%, 原 因 是 主 流 流 量 减 小 导 致 流 速 减 小 。图 3.6 Re=50000 工 况 下 三 种 通 道 无 量 纲 压 力 分 布3.3 本 章 小 结本 章 基 于 实 验 结 果 对 光 滑 、 带 肋 和 抽 吸 三 种 通 道 的 传 热 和 流 动 特 性 进 行 了 分析 , 主 要 结 论 如 下 :(1) 弯 头 对 于 不 同 通 道 传 热 的 影 响 不 同 , 弯 头 区 的 大 分 离 以 及 其 引 起 的 下 游 冲击 决 定 了 弯 头 区 和 弯 头 后 的 传 热 分 布 。 光 滑 通 道 的 传 热 在 弯 头 得 到 强 化 , 带 肋 和抽 吸 通 道 在 弯 头 外 侧 区 域 的 传 热 较 弱 。 流 体 对 弯 头 后 区 域 的 冲 击 作 用 使 得 该 区 域22

的 传 热 得 到 了 很 大 加 强 。 大 分 离 的 耗 散 作 用 和 冲 击 作 用 是 弯 头 压 力 损 失 的 主 要 因素 。(2) 肋 片 破 坏 了 近 壁 的 边 界 层 , 增 强 了 主 流 流 体 的 湍 流 度 , 形 成 了 通 道 中 的 横向 二 次 流 , 从 而 使 得 传 热 和 压 损 显 著 增 大 。 肋 片 的 周 期 性 布 置 也 导 致 了 远 离 弯 头的 直 通 道 部 分 传 热 分 布 呈 周 期 性 变 化 。(3) 气 膜 孔 抽 吸 一 方 面 造 成 了 孔 前 流 体 的 加 速 流 动 , 并 使 得 孔 后 边 界 层 变 薄 重新 发 展 , 从 而 显 著 增 强 了 孔 附 近 的 传 热 。; 另 一 方 面 由 于 部 分 流 体 被 抽 离 通 道 ,主 流 流 量 减 小 会 导 致 下 游 传 热 强 化 程 度 降 低 。 因 此 , 在 本 文 的 13% 抽 吸 量 下 , 两种 因 素 基 本 抵 消 , 抽 吸 对 带 肋 通 道 的 传 热 影 响 不 大 。(4) 气 膜 孔 抽 吸 导 致 的 主 流 流 量 减 小 , 减 小 了 弯 头 区 的 分 离 流 动 , 使 得 通 道 压力 损 失 明 显 减 小 。 在 本 文 的 13% 抽 吸 量 下 , 开 设 气 膜 孔 降 低 压 力 损 失 约 20%, 同时 保 持 传 热 强 化 程 度 不 变 , 这 有 利 于 内 部 冷 却 系 统 的 设 计 。23

第 4 章 内 部 冷 却 通 道 的 雷 诺 平 均 (RANS) 模 拟内 部 冷 却 通 道 中 流 动 复 杂 , 弯 头 区 域 存 在 大 分 离 是 预 测 其 流 动 传 热 特 征 的 难点 之 一 。 本 章 采 用 雷 诺 平 均 (RANS) 方 法 , 分 别 对 光 滑 、 带 肋 和 抽 吸 三 种 通 道Re=50000 的 工 况 进 行 了 数 值 模 拟 , 并 通 过 与 实 验 的 对 比 分 析 传 热 分 布 的 物 理 机理 。4.1 数 值 计 算 方 法湍 流 是 一 种 复 杂 的 三 维 非 稳 态 、 带 旋 转 的 流 动 , 可 以 视 为 各 种 不 同 尺 度 涡 的叠 加 , 其 中 大 涡 受 边 界 条 件 的 影 响 , 是 各 向 异 性 的 , 内 部 冷 却 通 道 中 的 流 动 就 是一 种 包 含 大 分 离 的 复 杂 流 动 。本 文 采 用 重 整 化 群 模 型 (RNG k − ε 模 型 ) 对 光 滑 通 道 、 无 抽 吸 的 带 肋 通 道 和带 气 膜 孔 抽 吸 的 带 肋 通 道 进 行 模 拟 。RANS 法 通 过 求 解 时 均 化 的 N-S 方 程 , 不 仅避 免 了 DNS 法 和 LES 法 计 算 量 巨 大 的 问 题 , 而 且 在 实 际 应 用 中 也 能 取 得 较 理 想的 结 果 , 因 此 在 实 际 工 程 、 科 研 教 学 中 RANS 法 仍 然 广 泛 应 用 。RNG k − ε 模 型基 于 标 准 k − ε 模 型 , 它 在 ε 方 程 产 生 项 系 数 中 引 入 了 主 流 的 时 均 应 变 率 。 与 标 准k − ε 模 型 相 比 ,RNG k − ε 模 型 在 计 算 包 括 流 线 弯 曲 、 涡 旋 等 流 动 时 更 好 。 本 文基 于 SIMPLE 压 力 速 度 耦 合 算 法 展 开 计 算 , 压 力 采 用 STANDARD 差 分 方 法 , 其它 方 程 均 采 用 二 阶 精 度 的 QUICK 差 分 方 法 。 在 壁 面 附 近 采 用 Enhanced WallTreatment 处 理 方 法 。4.2 网 格 及 边 界 条 件4.2.1 网 格 分 布数 值 计 算 中 的 计 算 域 尺 寸 完 全 依 据 实 验 段 定 义 。 为 节 省 计 算 资 源 , 光 滑 通 道和 带 肋 通 道 采 用 Z 方 向 对 称 面 , 仅 进 行 一 半 建 模 。 图 4.1~4.3 分 别 描 述 了 光 滑 、带 肋 和 抽 吸 通 道 的 计 算 域 , 同 时 , 分 别 放 大 示 出 了 模 型 关 键 部 位 的 网 格 布 局 , 包括 弯 头 附 近 、 光 滑 通 道 的 弯 头 、 带 肋 通 道 的 肋 片 、 抽 吸 通 道 的 气 膜 孔 附 近 和 抽 吸24

间 与 通 道 的 连 接 处 的 网 格 造 型 。X 方 向 网 格 在 中 心 区 域 和 两 侧 的 肋 片 区 域 的 分 布分 别 为 6,20,6,Y 向 网 格 分 布 为 40,Z 方 向 40, 整 个 通 道 包 含 52 个 等 间 距 肋片 。 光 滑 通 道 网 格 总 数 为 150 万 , 带 肋 通 道 网 格 总 数 为 150 万 , 抽 吸 通 道 网 格 总数 为 350 万 。 除 非 常 接 近 进 口 处 的 区 域 , 全 场 y + 保 持 在 7 以 下 。图 4.1 光 滑 通 道 几 何 造 型 及 弯 头 处 网 格 分 布图 4.2 带 肋 通 道 几 何 造 型 及 网 格 划 分25

图 4.3 抽 吸 通 道 几 何 造 型 与 网 格 划 分4.2.2 边 界 条 件计 算 选 用 的 工 质 为 定 物 性 参 数 的 空 气 , 定 性 温 度 选 取 为 45℃。 壁 面 采 取 固 壁和 等 壁 温 边 界 条 件 。 进 出 口 参 考 实 验 中 的 实 际 压 差 给 定 压 力 边 界 条 件 , 对 于 抽 吸通 道 , 抽 吸 间 的 出 口 设 为 压 力 出 口 , 压 力 根 据 实 验 测 定 设 置 。 尽 管 实 验 与 计 算 获得 努 塞 尔 数 分 布 的 原 理 不 完 全 相 同 , 但 为 使 计 算 中 的 物 性 参 数 尽 可 能 接 近 实 验值 , 进 口 温 度 取 为 318K, 湍 流 度 5%, 壁 面 温 度 假 定 300K, 接 近 实 验 真 实 工 况的 温 度 。4.3 三 种 通 道 的 传 热 及 压 损 分 析4.2.3 内 部 冷 却 通 道 传 热 分 布 比 较Re=50000 工 况 下 , 光 滑 、 带 肋 和 抽 吸 通 道 的 实 验 结 果 和 数 值 计 算 传 热 云 图 在定 性 符 合 较 好 , 如 图 4.4 所 示 。26

RANS 模 型 对 于 光 滑 通 道 的 预 测 最 差 , 总 体 传 热 水 平 偏 高 , 这 可 能 是 上 游 湍流 度 不 准 确 和 均 匀 边 界 条 件 与 实 际 不 符 所 致 。 对 于 弯 头 区 传 热 的 定 性 描 述 不 够 准确 , 同 时 下 游 冲 击 和 大 分 离 造 成 的 强 化 位 置 比 实 验 结 果 提 前 。 这 可 能 是 由 于 RANS模 型 对 大 分 离 的 预 测 不 够 准 确 。RANS 模 型 对 于 带 肋 通 道 的 预 测 较 好 , 能 正 确 地 捕 捉 上 游 和 下 游 较 远 处 传 热的 周 期 性 。 不 过 对 于 弯 头 的 细 节 模 拟 不 准 确 , 上 游 最 后 一 个 肋 片 导 致 的 传 热 强 化区 域 覆 面 积 偏 少 。 大 分 离 造 成 的 影 响 比 实 验 现 象 偏 小 , 体 现 在 弯 头 后 第 一 、 二 个肋 间 区 域 的 强 化 位 置 描 述 不 准 确 。RANS 模 型 对 抽 吸 通 道 的 预 测 也 较 好 , 同 时 捕 捉 到 了 气 膜 孔 附 近 传 热 显 著 强化 的 特 点 。 对 于 弯 头 细 节 的 模 拟 仍 然 不 准 确 , 对 于 下 游 第 一 个 肋 间 区 域 的 定 性 预测 比 带 肋 通 道 准 确 。图 4.4 RANS 与 实 验 努 塞 尔 数 比 云 图 对 比 (Re=50000)图 4.5~4.7 是 传 热 系 数 的 区 域 平 均 值 比 较 , 它 反 映 了 传 热 分 布 的 总 体 规 律 。 在本 文 研 究 的 工 况 和 数 值 模 拟 中 ,RANS 方 法 对 三 种 通 道 平 均 传 热 变 化 规 律 的 定 性描 述 比 较 合 理 。 定 量 描 述 中 , 光 滑 通 道 的 预 测 最 不 准 确 , 直 通 道 部 分 有 30% 的 偏差 。 三 种 通 道 在 弯 头 处 的 预 测 都 不 准 确 。 带 肋 通 道 和 抽 吸 通 道 在 直 通 道 部 分 的 预测 预 实 验 结 果 吻 合 较 好 , 偏 差 在 10% 以 内 。 同 时 , 带 肋 和 抽 吸 通 道 的 计 算 结 果 在弯 头 附 近 的 部 分 肋 间 区 域 出 现 较 大 偏 差 , 可 能 与 弯 头 大 分 离 预 测 困 难 有 关 。27

图 4.5 光 滑 通 道 数 值 模 拟 与 实 验 努 塞 尔 数 区 域 平 均 值 对 比 (Re=50000)图 4.6 带 肋 通 道 数 值 模 拟 与 实 验 努 塞 尔 数 区 域 平 均 值 对 比 (Re=50000)28

图 4.7 抽 吸 通 道 数 值 模 拟 与 实 验 努 塞 尔 数 区 域 平 均 值 对 比 (Re=50000, 抽 吸 比 13%)4.2.4 内 部 冷 却 通 道 无 量 纲 压 力 比 较在 本 文 的 研 究 中 ,RANS 模 型 对 三 中 通 道 的 压 损 定 性 描 述 都 正 确 。 图 4.8~4.10是 Re=50000 工 况 下 三 种 通 道 的 无 量 纲 压 力 数 值 和 实 验 结 果 对 比 。 光 滑 通 道 的 压力 损 失 预 测 最 准 确 , 这 是 因 为 光 滑 通 道 的 流 动 相 对 简 单 。 带 肋 通 道 的 压 损 预 测 偏低 , 这 是 因 为 弯 头 和 肋 片 交 互 作 用 下 的 流 场 难 以 描 述 。RANS 模 型 对 带 肋 通 道 的弯 头 压 损 预 测 偏 低 。 抽 吸 通 道 的 压 损 预 测 偏 高 , 主 要 是 在 弯 头 处 的 压 损 预 测 偏 高 ,这 是 因 为 RANS 模 型 对 主 流 Re 减 小 造 成 的 压 力 损 失 减 小 预 测 不 足 。图 4.8 光 滑 通 道 数 值 模 拟 与 实 验 无 量 纲 压 降 对 比 (Re=50000)29

图 4.9 带 肋 通 道 数 值 模 拟 与 实 验 无 量 纲 压 降 对 比 (Re=50000)图 4.10 抽 吸 通 道 数 值 模 拟 与 实 验 无 量 纲 压 降 对 比 (Re=50000, 抽 吸 比 13%)4.3 基 于 数 值 模 拟 的 机 理 分 析由 于 本 文 的 RANS 数 值 模 拟 较 好 的 反 映 了 三 种 通 道 中 的 流 动 和 传 热 分 布 , 所以 数 值 模 拟 的 流 场 结 果 具 有 一 定 可 信 度 。 本 文 针 对 弯 头 、 肋 片 和 气 膜 孔 三 个 几 何因 素 , 分 析 了 相 应 的 流 场 变 化 , 以 期 揭 示 传 热 和 压 力 损 失 的 机 理 。30

4.3.1 弯 头 流 场 分 析弯 头 是 双 流 程 光 滑 通 道 的 典 型 几 何 特 征 , 对 光 滑 通 道 的 弯 头 流 场 进 行 分 析 可以 排 除 肋 片 等 干 扰 因 素 , 具 有 独 立 性 。 图 4.11 所 示 为 光 滑 通 道 弯 头 处 z=19mm 截面 的 流 场 。 矩 形 弯 头 产 生 的 效 果 包 含 两 方 面 , 一 是 上 下 游 角 点 处 的 涡 , 角 涡 附 近流 速 很 低 , 传 热 较 弱 , 压 力 则 有 所 回 升 ; 二 是 弯 头 大 分 离 造 成 的 下 游 内 侧 的 回 流区 , 回 流 区 流 速 较 低 传 热 较 弱 , 低 速 流 体 减 小 了 流 道 有 效 面 积 , 造 成 外 侧 壁 面 的加 速 流 动 , 并 对 下 游 壁 面 产 生 强 烈 冲 击 , 从 而 强 化 传 热 , 也 造 成 了 较 大 的 压 力 损失 。图 4.11 光 滑 通 道 弯 头 处 z=19 截 面 的 流 场 模 拟 结 果图 4.12 光 滑 通 道 弯 头 处 的 几 种 流 动 形 式弯 头 处 三 维 流 场 中 的 典 型 流 线 族 如 图 4.12 所 示 。 对 称 面 上 靠 近 隔 板 的 流 体 流过 弯 头 之 后 产 生 了 大 分 离 , 形 成 了 回 流 区 。 流 道 中 的 主 流 则 沿 着 流 道 产 生 比 较 有序 的 折 转 , 并 在 下 游 受 到 回 流 区 的 限 制 而 加 速 聚 拢 , 冲 击 壁 面 。 流 道 外 侧 的 流 体受 到 弯 头 的 扰 动 产 生 了 z 方 向 的 二 次 流 , 并 在 下 游 参 与 主 流 发 展 为 旋 转 的 二 次 流 。31

43211 23 4图 4.13 光 滑 通 道 弯 头 前 后 的 二 次 流 发 展弯 头 下 游 的 二 次 流 场 如 图 4.13 所 述 , 上 游 均 匀 来 流 流 经 弯 头 后 由 于 大 分 离 的扰 动 产 生 少 量 的 涡 , 流 经 回 流 区 时 发 展 为 较 多 的 涡 , 远 离 弯 头 后 汇 总 为 一 个 涡 ,并 逐 渐 耗 散 。 弯 头 在 下 游 造 成 的 旋 转 二 次 流 使 得 下 游 流 体 的 对 流 加 强 , 有 利 于 增强 传 热 。32

4.3.2 肋 片 流 场 分 析肋 片 是 带 肋 通 道 的 另 一 典 型 几 何 特 征 , 图 4.14 左 图 所 示 为 RANS 模 拟 的 处 置与 肋 片 截 面 的 流 动 分 离 和 再 附 , 与 右 图 所 示 的 经 典 文 献 中 的 描 述 一 致 。 近 壁 面 的分 离 与 再 附 , 破 坏 边 界 层 , 增 强 传 热 , 增 大 压 力 损 失 。图 4.14 垂 直 于 肋 片 截 面 的 流 动 分 离 和 再 附 模 拟 结 果相 比 于 直 肋 片 , 斜 肋 片 不 仅 作 用 于 近 壁 面 , 而 且 还 导 致 旋 转 的 横 向 二 次 流 。旋 转 二 次 流 在 直 通 道 部 分 使 得 主 流 流 体 产 生 螺 旋 形 流 动 。 图 4.15 所 示 为 45° 带肋 通 道 中 的 螺 旋 形 流 线 和 一 个 周 期 内 的 二 次 流 发 展 模 拟 结 果 。在 一 个 肋 间 区 域 的 周 期 内 , 斜 肋 片 导 致 的 旋 转 二 次 流 在 肋 间 区 域 根 据 与 肋 片的 相 对 位 置 而 横 向 波 动 , 并 伴 随 涡 的 产 生 与 消 失 。 肋 片 扰 流 对 流 动 的 干 扰 , 不 仅导 致 了 通 道 各 个 壁 面 的 流 体 交 换 , 而 且 加 强 了 主 流 和 壁 面 的 能 量 输 运 , 从 而 增 强壁 面 的 换 热 , 增 加 耗 散 和 沿 程 压 力 损 失 。33

6534211 23 45 6图 4.15 肋 片 产 生 的 横 向 二 次 流 造 成 的 涡 及 其 周 期 性 发 展34

4.3.3 肋 片 与 弯 头 交 互 影 响带 肋 通 道 弯 头 处 三 维 流 场 中 的 典 型 流 线 族 如 图 4.16 所 示 。 与 光 滑 通 道 对 比 可以 看 出 , 由 于 肋 片 造 成 的 螺 旋 形 流 动 , 弯 头 前 来 流 本 身 就 比 较 复 杂 。 靠 近 带 肋 壁面 的 一 部 分 流 体 沿 肋 片 斜 向 流 动 后 , 流 经 弯 头 角 点 处 , 回 流 至 隔 板 附 近 , 折 转 之后 在 下 游 产 生 涡 。 这 种 流 动 是 一 种 强 烈 的 搅 动 , 有 利 于 能 量 输 运 , 增 强 传 热 , 比光 滑 通 道 效 果 明 显 。 主 流 的 部 分 流 体 经 弯 头 外 侧 流 至 角 点 处 减 速 , 导 致 了 弯 头 外侧 传 热 弱 化 , 之 后 流 经 下 游 第 一 根 肋 片 后 分 散 并 逐 步 演 化 为 下 游 的 螺 旋 形 流 动 。相 比 于 光 滑 通 道 主 流 平 顺 的 流 动 , 这 种 流 动 耗 散 更 强 , 传 热 强 度 和 压 力 损 失 也 更大 。 除 上 述 特 征 外 , 带 肋 通 道 的 弯 头 和 光 滑 通 道 的 弯 头 流 动 比 较 相 似 , 图 4.16 的右 图 所 示 为 矩 形 弯 头 上 下 游 角 点 的 涡 。图 4.16 带 肋 通 道 中 弯 头 和 肋 片 交 互 作 用 下 的 几 种 流 动 形 式4.3.4 气 膜 孔 与 弯 头 交 互 影 响抽 吸 可 以 在 近 壁 面 产 生 更 复 杂 的 流 动 和 分 离 , 不 仅 孔 附 近 传 热 增 强 , 整 体 传热 也 会 有 所 提 高 。 图 4.17 所 示 为 弯 头 中 部 横 截 面 的 流 场 模 拟 结 果 。 对 比 无 抽 吸 的带 肋 通 道 , 单 侧 抽 吸 使 得 流 场 不 对 称 。 主 要 特 点 是 : 靠 近 气 膜 孔 壁 面 内 侧 的 涡 由于 抽 吸 减 小 ; 远 离 气 膜 孔 壁 面 的 涡 发 展 得 较 大 。 在 气 膜 孔 一 侧 壁 面 附 近 , 流 体 的流 动 方 向 不 同 , 抽 吸 作 用 下 , 未 流 入 气 膜 孔 的 流 体 从 内 侧 流 向 外 侧 ; 无 抽 吸 时 ,流 体 由 外 侧 流 向 内 侧 。 整 体 看 , 抽 吸 工 况 下 的 速 度 大 小 分 布 更 均 匀 。 图 4.18 所 示为 弯 头 近 壁 面 (z=24.5mm) 流 场 模 拟 结 果 的 对 比 。 可 以 看 出 , 气 膜 孔 抽 吸 下 , 孔附 近 的 高 速 流 动 使 得 弯 头 处 近 壁 面 的 流 场 更 加 复 杂 。35

图 4.17 有 抽 吸 ( 左 ) 和 无 抽 吸 ( 右 ) 下 弯 头 中 部 横 截 面 流 场 模 拟 结 果 的 对 比图 4.18 有 抽 吸 ( 左 ) 和 无 抽 吸 ( 右 ) 下 弯 头 近 壁 面 流 场 模 拟 结 果 的 对 比36

4.3.5 气 膜 孔 与 肋 片 交 互 影 响图 4.19 所 示 为 抽 吸 作 用 下 , 气 膜 孔 附 近 的 速 度 场 。 由 于 气 膜 孔 尺 寸 很 小 , 流体 在 抽 吸 作 用 下 产 生 强 烈 的 加 速 , 导 致 孔 附 近 边 界 层 变 薄 , 传 热 显 著 增 强 。图 4.19 抽 吸 作 用 下 的 气 膜 孔 附 近 的 急 剧 加 速 流 动图 4.20 所 示 为 肋 间 区 域 沿 气 膜 孔 中 心 垂 直 于 肋 片 截 面 的 速 度 场 分 布 。 可 以 看出 , 气 膜 孔 抽 吸 部 分 再 附 流 体 , 相 比 于 无 抽 吸 的 情 况 , 上 游 的 分 离 回 流 区 有 所 扩大 , 下 游 的 再 附 区 域 减 小 。 由 于 回 流 区 速 度 较 低 传 热 较 弱 , 所 以 抽 吸 工 况 下 , 紧贴 上 游 肋 片 的 区 域 传 热 弱 于 无 抽 吸 工 况 。 同 时 , 下 游 再 附 区 域 的 减 小 也 使 得 孔 后的 传 热 强 化 区 域 覆 盖 面 积 减 小 。 但 由 于 气 膜 孔 附 近 的 显 著 传 热 强 化 , 肋 间 平 均 传热 而 结 果 差 异 不 大 。 综 上 所 述 可 以 认 为 , 气 膜 孔 使 得 肋 间 区 域 传 热 分 布 更 集 中 。37

图 4.20 抽 吸 作 用 对 分 离 再 附 的 影 响 模 拟4.4 本 章 小 结本 章 将 RANS 数 值 模 拟 结 果 与 实 验 结 果 进 行 比 较 , 同 时 结 合 数 值 模 拟 的 结 果对 流 场 进 行 了 详 细 分 析 , 有 如 下 主 要 结 论 :(1) 内 部 冷 却 通 道 中 的 180° 弯 头 使 得 流 动 在 下 游 产 生 分 离 区 , 减 小 了 流 道 有效 面 积 , 引 起 下 游 流 体 加 速 和 冲 击 , 造 成 强 烈 的 传 热 强 化 和 压 力 损 失 。 同 时 , 弯头 造 成 的 横 向 二 次 流 在 下 游 发 展 为 旋 转 的 二 次 流 , 对 下 游 换 热 起 到 增 强 作 用 。(2) 斜 肋 片 不 仅 产 生 近 壁 面 的 分 离 和 再 附 , 强 化 肋 间 的 传 热 , 同 时 还 产 生 旋 转地 横 向 二 次 流 , 在 上 下 游 直 通 道 部 分 形 成 螺 旋 形 流 场 。 斜 肋 造 成 的 螺 旋 形 流 动 与弯 头 的 大 分 离 交 互 , 使 得 流 动 无 序 程 度 增 加 , 有 利 于 能 量 输 运 和 耗 散 。 因 此 带 肋通 道 的 传 热 强 化 和 压 力 损 失 都 大 于 光 滑 通 道 。(3) 抽 吸 作 用 使 得 气 膜 孔 附 近 流 体 剧 烈 加 速 , 造 成 显 著 的 传 热 的 强 化 。 相 比 于无 抽 吸 的 情 况 , 肋 片 后 的 分 离 回 流 区 有 所 扩 大 , 紧 贴 下 一 肋 片 的 区 域 传 热 较 弱 ,下 游 的 再 附 区 域 减 小 , 孔 后 的 传 热 强 化 区 域 覆 盖 面 积 减 小 。 因 此 抽 吸 通 道 的 肋 间传 热 分 布 相 对 集 中 。(4) 在 传 热 方 面 ,RANS 方 法 对 双 流 程 通 道 的 直 通 道 部 分 、 肋 片 扰 流 和 气 膜孔 附 近 区 域 的 预 测 比 较 准 确 。 在 本 文 的 研 究 中 , 带 肋 和 抽 吸 通 道 的 传 热 预 测 偏 差在 10% 以 内 。38

(5)RANS 对 大 分 离 的 模 拟 比 较 困 难 , 对 弯 头 以 及 弯 头 附 近 的 的 带 肋 区 域 的 模拟 不 够 准 确 。 主 要 体 现 在 对 弯 头 传 热 细 节 描 述 不 准 确 , 对 回 流 区 的 位 置 预 测 偏 向下 游 。 在 本 文 的 研 究 中 , 光 滑 通 道 的 传 热 预 测 偏 差 在 30% 左 右 , 带 肋 通 道 和 抽 吸通 道 的 弯 头 区 压 力 损 失 预 测 不 准 。39

第 5 章 结 论 与 建 议5.1 本 文 结 论本 文 在 课 题 组 原 有 内 部 冷 却 实 验 台 基 础 上 搭 建 了 抽 吸 系 统 , 针 对 光 滑 、 带 肋和 抽 吸 三 种 内 部 冷 却 通 道 进 行 了 基 于 瞬 态 液 晶 技 术 的 实 验 研 究 , 同 时 运 用 RANS数 值 模 拟 方 法 研 究 了 三 种 通 道 的 流 动 和 传 热 的 机 理 。 综 合 实 验 和 数 值 模 拟 结 果 ,得 到 如 下 结 论 :(1) 内 部 冷 却 系 统 中 180° 弯 头 使 得 流 动 在 下 游 产 生 分 离 区 , 减 小 流 道 有 效 面积 , 造 成 下 游 流 体 加 速 和 冲 击 , 大 分 离 的 耗 散 和 冲 击 作 用 也 是 弯 头 压 力 损 失 的 主要 因 素 。 光 滑 通 道 中 , 弯 头 造 成 旋 转 的 横 向 二 次 流 , 对 下 游 换 热 起 到 增 强 作 用 。(2) 斜 肋 片 不 仅 产 生 近 壁 面 的 分 离 和 再 附 , 强 化 肋 间 的 传 热 , 同 时 还 产 生 旋 转地 横 向 二 次 流 , 在 上 下 游 直 通 道 部 分 形 成 螺 旋 形 流 场 。 斜 肋 造 成 的 螺 旋 形 流 动 与弯 头 的 大 分 离 交 互 , 使 得 流 动 无 序 程 度 增 加 , 有 利 于 能 量 输 运 和 耗 散 。 因 此 带 肋通 道 的 传 热 强 化 和 压 力 损 失 都 大 于 光 滑 通 道 。(3) 气 膜 孔 对 近 壁 的 边 界 层 有 抽 吸 作 用 , 使 得 孔 附 近 的 传 热 得 到 了 显 著 强 化 ,同 时 抽 吸 导 致 的 主 流 流 量 减 小 使 得 整 体 传 热 水 平 稍 微 减 小 , 而 通 道 压 力 损 失 明 显减 小 。 在 本 文 的 13% 抽 吸 量 下 , 开 设 气 膜 孔 降 低 压 力 损 失 约 20%, 同 时 保 持 传 热强 化 程 度 不 变 , 这 对 于 内 部 冷 却 的 设 计 是 有 利 因 素 。(4) 在 传 热 方 面 ,RANS 方 法 对 双 流 程 通 道 的 直 通 道 部 分 、 肋 片 扰 流 和 气 膜 孔附 近 区 域 的 预 测 比 较 准 确 。 在 本 文 的 研 究 中 , 带 肋 和 抽 吸 通 道 的 传 热 预 测 偏 差 在10% 以 内 。 不 过 RANS 对 大 分 离 的 模 拟 比 较 困 难 , 对 弯 头 以 及 弯 头 附 近 的 带 肋 区域 的 模 拟 不 够 准 确 。 对 于 大 分 离 占 主 导 的 光 滑 通 道 , 传 热 预 测 偏 差 在 30% 左 右 。5.2 存 在 不 足 与 改 进 建 议本 文 的 实 验 台 改 造 还 存 在 问 题 。 本 文 实 验 所 用 抽 吸 量 为 13%, 与 实 际 叶 片 中抽 吸 量 相 比 有 较 大 差 距 。 在 抽 吸 系 统 设 计 时 应 考 虑 管 路 整 体 阻 力 水 平 , 以 使 得 抽吸 量 达 到 更 高 水 平 。 同 时 , 本 文 采 用 的 单 抽 吸 间 方 式 有 利 于 整 体 实 验 段 的 拍 摄 ,40

但 不 利 于 各 气 膜 孔 抽 吸 量 的 单 独 控 制 , 使 得 最 小 抽 吸 量 不 可 小 于 10%。 在 今 后 的改 进 中 需 要 协 调 拍 摄 和 最 小 抽 吸 量 的 矛 盾 。本 文 的 实 验 研 究 采 用 27℃ 瞬 态 液 晶 , 相 比 于 以 前 的 39℃ 液 晶 有 利 于 缩 短 实 验时 间 , 但 由 于 与 室 温 差 距 过 小 , 容 易 扩 大 主 流 温 度 和 壁 面 温 度 测 量 不 准 造 成 的 误差 。 在 今 后 的 实 验 中 可 以 考 虑 选 用 30℃~35℃ 的 瞬 态 液 晶 , 或 者 不 同 种 类 液 晶 的混 合 喷 涂 。本 文 的 实 验 研 究 中 主 流 温 度 测 量 采 用 进 出 口 和 弯 头 中 心 线 温 度 线 性 插 值 的 方式 得 到 。 一 方 面 中 心 线 温 度 不 能 代 表 截 面 平 均 温 度 , 另 一 方 面 主 流 温 度 沿 程 分 布并 不 具 有 线 性 性 。 由 于 瞬 态 液 晶 技 术 中 主 流 温 度 对 传 热 计 算 影 响 很 大 , 所 以 有 必要 在 今 后 的 实 验 中 探 索 更 加 合 理 的 主 流 温 度 测 量 方 法 。本 文 的 数 值 模 拟 采 用 成 本 低 廉 的 RANS 方 法 , 结 论 表 明 RANS 方 法 对 弯 头 大分 离 的 模 拟 并 不 理 想 , 而 课 题 组 前 人 的 工 作 认 为 DES 在 大 分 离 的 模 拟 上 强 于RANS, 在 今 后 的 研 究 中 有 必 要 考 虑 在 不 同 区 域 采 用 不 同 算 法 。 同 时 限 于 实 验 条件 , 本 文 并 未 对 进 口 边 界 条 件 进 行 详 细 测 量 , 均 匀 的 总 压 进 口 不 利 于 内 部 通 道 的计 算 , 特 别 对 于 光 滑 通 道 。 在 今 后 的 研 究 中 需 要 考 虑 采 用 对 进 口 边 界 条 件 的 测 量 ,或 者 单 独 模 拟 进 口 段 的 方 式 给 出 更 合 理 的 边 界 条 件 。41

插 图 索 引图 1.1 肋 片 导 致 分 离 再 附 示 意 图 [1] .............................. 2图 2.1 内 部 冷 却 通 道 结 构 ..................................... 4图 2.2 通 道 几 何 参 数 的 定 义 ................................... 5图 2.3 光 滑 通 道 几 何 模 型 ..................................... 5图 2.4 带 肋 通 道 几 何 模 型 ..................................... 6图 2.5 抽 吸 通 道 几 何 模 型 ..................................... 6图 2.6 抽 吸 通 道 主 视 图 ( 单 位 :mm) ........................... 7图 2.7 基 础 实 验 段 设 计 图 纸 ................................... 8图 2.8 抽 吸 管 路 设 计 图 纸 ..................................... 8图 2.9 抽 吸 间 设 计 图 纸 ....................................... 9图 2.10 实 验 台 示 意 图 ........................................ 9图 2.11 带 抽 吸 的 实 验 段 照 片 ................................. 10图 2.12 抽 吸 管 路 与 主 流 管 路 结 合 部 分 ......................... 10图 2.13 抽 吸 涡 街 流 量 计 ..................................... 11图 2.14 压 力 测 点 和 主 流 温 度 测 点 的 布 置 ....................... 11图 2.15 调 试 后 的 色 调 值 分 布 ................................. 12图 2.16 圆 形 彩 色 平 面 的 HSI 模 型 ............................. 14图 2.17 实 验 段 色 调 分 布 示 意 图 ............................... 15图 2.18 阶 跃 曲 线 近 似 ....................................... 16图 3.1 Re=50000 工 况 下 不 同 通 道 的 表 面 努 塞 尔 数 分 布 ............ 19图 3.2 区 域 编 号 及 平 均 范 围 示 意 .............................. 2042

图 3.3 Re=50000 工 况 下 三 种 通 道 的 努 塞 尔 数 区 域 平 均 值 .......... 20图 3.4 与 其 它 实 验 结 果 的 对 比 ................................ 21图 3.5 无 量 纲 距 离 的 定 义 .................................... 21图 3.6 Re=50000 工 况 下 三 种 通 道 无 量 纲 压 力 分 布 ................ 22图 4.1 光 滑 通 道 几 何 造 型 及 弯 头 处 网 格 分 布 .................... 25图 4.2 带 肋 通 道 几 何 造 型 及 网 格 划 分 .......................... 25图 4.3 抽 吸 通 道 建 模 与 网 格 划 分 .............................. 26图 4.4 RANS 与 实 验 努 塞 尔 数 比 云 图 对 比 (Re=50000) ............ 27图 4.5图 4.6光 滑 通 道 数 值 模 拟 与 实 验 努 塞 尔 数 区 域 平 均 值 对 比 (Re=50000)28带 肋 通 道 数 值 模 拟 与 实 验 努 塞 尔 数 区 域 平 均 值 对 比 (Re=50000)28图 4.7 抽 吸 通 道 数 值 模 拟 与 实 验 努 塞 尔 数 区 域 平 均 值 对 比 (Re=50000,抽 吸 比 13%) ................................................. 29图 4.8 光 滑 通 道 数 值 模 拟 与 实 验 无 量 纲 压 降 对 比 (Re=50000) .... 29图 4.9 带 肋 通 道 数 值 模 拟 与 实 验 无 量 纲 压 降 对 比 (Re=50000) .... 30图 4.10 抽 吸 通 道 数 值 模 拟 与 实 验 无 量 纲 压 降 对 比 (Re=50000, 抽 吸 比13%) 30图 4.11 光 滑 通 道 弯 头 处 z=19 截 面 的 流 场 模 拟 结 果 .............. 31图 4.12 光 滑 通 道 弯 头 处 的 几 种 流 动 形 式 ....................... 31图 4.13 光 滑 通 道 弯 头 前 后 的 二 次 流 发 展 ....................... 32图 4.14 垂 直 于 肋 片 截 面 的 流 动 分 离 和 再 附 模 拟 结 果 ............. 33图 4.15 肋 片 产 生 的 横 向 二 次 流 造 成 的 涡 及 其 周 期 性 发 展 ......... 34图 4.16 带 肋 通 道 中 弯 头 和 肋 片 交 互 作 用 下 的 几 种 流 动 形 式 ....... 35图 4.17 有 抽 吸 ( 左 ) 和 无 抽 吸 ( 右 ) 下 弯 头 中 部 横 截 面 流 场 模 拟 结 果的 对 比 3643

图 4.18 有 抽 吸 ( 左 ) 和 无 抽 吸 ( 右 ) 下 弯 头 近 壁 面 流 场 模 拟 结 果 的 对比 36图 4.19 抽 吸 作 用 下 的 气 膜 孔 附 近 的 急 剧 加 速 流 动 ............... 37图 4.20 抽 吸 作 用 对 分 离 再 附 的 影 响 模 拟 ....................... 3844

表 格 索 引表 2.1 实 验 段 部 分 几 何 参 数 ....................................................................7表 2.2 实 验 工 况 列 表 .............................................................................1745

参 考 文 献[1] Han J. C., Dutta Sandip, Ekkad Srinath V. 燃 气 轮 机 传 热 和 冷 却 技 术 [M]. 西 安 交 通 大 学 出版 社 , 2005.[2] Ekkad Srinath V., Han Je-Chin. Detailed heat transfer distributions in two-pass squarechannels with rib turbulators. International Journal of Heat and Mass Transfer,1997,40(11):2525-2537.[3] Servouze Yves, Sturgis J. Chris. Heat Transfer and Flow Field Measurements in aRib-Roughened Branch of a Rotating Two-Pass Duct. ASME Conference Proceedings,2003,2003(36886):1-12.[4] Ekkad Srinath V., Huang Yizhe, Han Je-Chin. Detailed heat transfer distributions in two-passsquare channels with rib turbulators and bleed holes. International Journal of Heat and MassTransfer, 1998(41):3781-7391.[5] 苏 福 彬 , 朱 惠 人 , 郭 涛 , 等 . 内 冷 通 道 带 肋 和 出 流 孔 壁 面 的 换 热 研 究 . 航 空 动 力 学 报 ,2009(07).[6] 丁 水 汀 , 侯 晓 静 , 徐 国 强 , 等 . 矩 形 通 道 内 气 膜 出 流 对 内 换 热 的 影 响 规 律 . 北 京 航 空 航 天大 学 学 报 , 2007(04).[7] Ekkad Srinath V., Kontrovitz David, Nasir Hasan, 等 . EFFECT OF RIB TURBULATORSIN THE FIRST PASS ON HEAT TRANSFER DISTRIBUTIONS IN A TWO-PASSCHANNEL CONNECTED BY TWO ROWS OF HOLES: ASME Turbo Expo 2001,2001[C].[8] 李 广 超 . 带 肋 及 气 膜 孔 的 矩 形 通 道 流 阻 和 换 热 研 究 [ 硕 士 学 位 论 文 ]. 西 北 工 业 大 学 工 程热 物 理 , 2006.[9] Thurman Douglas, Poinsatte Philip. Experimental Heat Transfer and Bulk Air TemperatureMeasurements for a Multipass Internal Cooling Model With Ribs and Bleed. Journal ofTurbomachinery, 2001,123(1):90-96.[10] Zehnder Frank, Schuler Marco, Weigand Bernhard, 等 . The Effect of Turning Vanes onPressure Loss and Heat Transfer of a Ribbed Rectangular Two-Pass Internal Cooling Channel.ASME Conference Proceedings, 2009,2009(48845):471-482.[11] Chanteloup D., Bolcs A. Flow Effects on the Bend Region Heat Transfer Distribution of2-Pass Internal Coolant Passages of Gas Turbine Airfoils: Influence of Film CoolingExtraction. ASME Conference Proceedings, 2003,2003(36886):569-580.46

[12] 倪 萌 , 朱 惠 人 , 裘 云 , 等 . 气 膜 孔 与 肋 的 相 对 位 置 及 通 道 截 面 形 状 对 气 膜 孔 流 量 系 数 的影 响 . 燃 气 轮 机 技 术 , 2005(01).[13] Schuler Marco, Zehnder Frank, Weigand Bernhard, 等 . The Effect of Side Wall MassExtraction on Pressure Loss and Heat Transfer of a Ribbed Rectangular Two-Pass InternalCooling Channel. ASME Conference Proceedings, 2009,2009(48845):457-470.[14] Sewall Evan A., Tafti Danesh K. Large Eddy Simulation of Flow and Heat Transfer in the180[degree] Bend Region of a Stationary Ribbed Gas Turbine Internal Cooling Duct. ASMEConference Proceedings, 2005,2005(47268):481-493.47

致 谢首 先 感 谢 导 师 蒋 洪 德 教 授 和 任 静 教 授 , 本 论 文 的 完 成 离 不 开 两 位 老 师 的 悉 心指 导 。 两 位 老 师 严 谨 的 治 学 态 度 , 渊 博 的 学 识 , 认 真 负 责 、 诲 人 不 倦 的 工 作 作 风给 我 留 下 了 深 刻 印 象 , 他 们 给 我 提 出 了 很 多 宝 贵 的 建 议 , 帮 助 我 指 明 方 向 , 开 拓思 路 , 形 成 良 好 的 科 研 素 养 , 使 我 获 益 匪 浅 。感 谢 陈 伟 师 兄 和 阚 瑞 师 姐 帮 助 我 完 成 实 验 和 后 处 理 工 作 , 他 们 丰 富 的 实 验 经验 和 严 谨 的 科 研 态 度 给 了 我 很 大 帮 助 。 感 谢 谭 勤 学 、 王 文 萍 、 李 雪 英 、 刘 洋 、 尹洪 、 吴 康 等 师 兄 师 姐 对 我 的 帮 助 , 他 们 给 予 我 很 多 富 有 价 值 的 指 导 意 见 , 并 帮 助我 解 决 了 很 多 软 件 问 题 。最 后 , 向 在 百 忙 之 中 抽 出 时 间 对 本 文 进 行 评 审 并 提 出 宝 贵 意 见 的 各 位 专 家 表示 衷 心 的 感 谢 。48

声 明本 人 郑 重 声 明 : 所 呈 交 的 学 位 论 文 , 是 本 人 在 导 师 指 导 下 , 独 立 进 行 研 究工 作 所 取 得 的 成 果 。 尽 我 所 知 , 除 文 中 已 经 注 明 引 用 的 内 容 外 , 本 学 位 论 文 的研 究 成 果 不 包 含 任 何 他 人 享 有 著 作 权 的 内 容 。 对 本 论 文 所 涉 及 的 研 究 工 作 做 出贡 献 的 其 他 个 人 和 集 体 , 均 已 在 文 中 以 明 确 方 式 标 明 。签 名 :_____________日 期 :_____________49

附 录 A 外 文 资 料 的 调 研 阅 读 报 告 ( 或 书 面 翻 译 )50

翻 译 文 献 索 引Schuler Marco, Zehnder Frank, Weigand Bernhard, 等 . The Effect of Side Wall Mass Extraction onPressure Loss and Heat Transfer of a Ribbed Rectangular Two-Pass Internal Cooling Channel. ASMEConference Proceedings, 2009,2009(48845):457-470.60