对常规涡轮叶片瞬态传热测试及分析方法的改进

摘要

本论文主要阐述了针对常规的涡轮叶片瞬态传热实验测试及分析方法进行的从实验和数值方面改进的研究。涡轮叶片是涡轮中最重要的部件之一,需要承受高温高压高速的工作条件。针对涡轮叶片的冷却技术的研究已经有很长时间,但是对于叶片传热规律总体上还是缺乏深入的了解。因此,精确及稳定可靠的叶片传热实验测量及分析方法,是进行叶片传热研究的基础。
　　本论文首先介绍了在国家自然科学基金的支持下,交大密西根学院跨音速风洞测试平台的详细设计与系统搭建。具体工作包括扩散段气流分布器设计,模块化跨音速测试段设计等。这是国内首个针对涡轮叶尖进行在跨音速条件下的瞬态传热研究的测试平台。在此平台上,本文采用红外热测量技术进行了涡轮叶片叶尖部分的跨音速条件下的瞬态传热实验,并且应用了经过数值方法验证的传热分析方法,取得了跨音速条件下的叶尖对流换热系数分布结果。
　　本论文开发了一种新的对传热实验测量中边角位置的热传导进行的数值矫正方法。在常规的瞬态传热实验测量分析中,一维半无限大的传热假设被广泛使用。但是,在横向热传导比较明显的位置,特别是接近边角的位置,一维半无限大假设的直接应用会对测量结果分析造成很大的误差。虽然这个问题可以通过三维的数值传热计算解决,但是这种方法需要获得在边角位置附近的所有面的热边界条件,从实验测量来说,比较复杂且耗时。
　　本论文开发的新方法能够很好地矫正边角位置的由于横向热传导造成的误差。这种方法主要是基于对于二维的温度变化过程,实际是由于横向和纵向的热传导在时间和空间上的积累过程的认识。通过消除每一个时间点上温度数据中的横向热传导的作用,可以重建一个等效于一维热传导的温度变化过程。由此获得的矫正之后的温度化过程,可以使一维热传导假设成立以应用于获得准确的对流换热系数。本文对这种新的测量矫正方法进行了验证,证明使用该方法可以使获得的传热分析结果误差大大减少,并且将其应用于矫正本测试平台获得的叶尖传热实验结果。本文提出的这种测量数据矫正概念和方法简单、实用、可靠,可以推广应用于常规瞬态传热实验中。

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List of Figures

Chapter 1 Intro duction

1.1 Background and Literature Review

1.2 Motivation for the Current Work

1.3 Thesis Ob jective and Outline

Chapter 2 Development of a High Sp eed Wind Tunnel Facility

2.1 Overall Design of the High Speed Wind Tunnel

2.2 Wind Tunnel Flow Control System

2.3 Diffuser and Test Section Design

2.4 CFD Simulation of the Whole Wind Tunnel Design

2.5 Summary

Chapter 3 Exp erimental Flow Conditions and Thermal Measurement

3.1 Flow Characteristics

3.2 Thermal Measurement System

3.3 Summary

Chapter 4 Exp erimental Results

4.1 Heat Transfer Analysis Technique

4.2 Experimental Results

4.3 Numerical Simulation Based on the Experimental Conditions

4.4 Uncertainty Analysis

4.5 Summary

Chapter 5 New Corner Conduction Correction Technique

5.1 Corner Conduction Issues

5.2 General Concept

5.3 Implementation on 2D Cases

5.4 Implementation on 3D Cases

5.5 Application to Experimental Results

5.6 Summary

Chapter 6 Conclusions and Future Work

6.1 Conclusions

6.2 Recommendations for Future Work

致谢

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参考文献