层板冷却单元的流动换热计算模型研究

摘要

随着航空工业的高速进步和国防安全的迫切需求，世界各国对航空发动机的性能提出了更高的要求。层板冷却集结了多种冷却技术于一身，对于提高涡轮进口温度、减少冷气量等均具有十分重要的意义，将是发展新一代航空发动机的关键技术。因此，层板冷却技术的研究是涡轮冷却结构设计人员的重要课题。
　　本文将以某型航空发动机涡轮叶片层板冷却结构为研究对象，通过数值模拟方法对1：4：2型层板冷却单元的流动换热计算模型进行分析和研究，为今后的涡轮叶片冷却结构的设计提供理论基础。
　　首先参照相关文献，应用UG软件建立层板冷却单元的三维模型，通过ANSYS ICEM进行六面体结构化网格划分，应用ANSYS CFX进行数值模拟计算，将不同扰流柱高度下的换热系数结果与文献中的实验结果进行对比。结果表明：数值模拟方法在层板冷却单元研究过程中具有一定的准确性。
　　由哈尔滨工业大学发动机气体动力研究中心自主开发的参数化程序可快速完成层板冷却单元的模型及网格的建立，降低了对手动建模及网格划分的要求，大大的提高了计算过程的效率。在此参数化程序的基础上，分别改变雷诺数的大小、扰流柱的位置、扰流柱直径与进气孔直径比、扰流柱形状，通过对流阻系数、努塞尔数、壁面温度等目标参数的对比，分析得出了不同参数下层板模型内部的流动及换热情况。结果表明：雷诺数增大、扰流柱直径与进气孔直径比增大、形状的改变均有利于综合换热的增强，扰流柱位置的改变对综合换热影响不大。
　　在深入分析流动及换热规律的基础上，将相关文献作为分析参考，通过对雷诺数、冷气进口温度、单元边长与冲击孔直径比、冲击孔高度与冲击孔直径比、扰流柱高度与冲击孔直径比、扰流柱间距与扰流柱直径比、气膜孔高度与气膜孔直径比各参数的计算，利用叠加、拟合等方法，总结出了复合冲击、扰流、气膜多种冷却方式的层板单元总的流阻系数、努塞尔数的经验关联式，进而作为层板结构的设计指导。并将所得出的经验关联式与数值模拟结果进行比较，作为上述工作的验证和完善。结果表明：所得出的经验关联式反应了层板冷却单元的流动及换热情况，并与数值模拟结果有很好的吻合。

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第1章绪 论

1.1课题来源

1.2研究背景与意义

1.3涡轮叶片冷却技术的发展概述

1.4层板冷却的研究现状及分析

1.5本文主要研究内容

第2章层板冷却单元的数值模拟方法

2.1数值模拟方法简介

2.2数值模拟方法验证

2.3层板冷却结构设计及单元剖分方法

2.4计算模型、条件设置及网格生成方法

2.5本章小结

第3章层板冷却单元流动换热特性的数值研究

3.1雷诺数对层板冷却单元流动换热特性的影响

3.2扰流柱位置对层板冷却单元流动换热特性的影响

3.3扰流柱直径对层板冷却单元流动换热特性的影响

3.4扰流柱形状对层板冷却单元流动换热特性的影响

3.5本章小结

第4章层板冷却单元的流动及换热经验关联式研究

4.1流动及换热经验关联式介绍

4.2流动及换热经验关联式的初步确定

4.3流动及换热经验关联式影响参数的数值模拟计算

4.4流动及换热经验关联式的总结过程

4.5流动及换热经验关联式的结果分析

4.6本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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