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狭小受限空间内气膜孔流量系数的数值模拟和实验研究

作　者: 胡博
导　师: 毛军逵
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 工程热物理
关键词: 气膜冷却流量系数狭小受限空间实验研究数值模拟
分类号: V231.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-15
第一章绪论  15-22
  1.1 研究背景  15-16
  1.2 涡轮叶片冷却技术的发展  16-18
  1.3 气膜孔流量系数的研究现状  18-20
    1.3.1 几何因素对气膜孔流量系数的影响  18-19
    1.3.2 肋等结构对气膜孔流量系数的影响  19-20
    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  20
  1.4 本文研究内容  20-22
第二章基本理论及物理模型  22-27
  2.1 物理模型及几何参数  22-23
  2.2 基本控制方程  23-24
  2.3 边界条件  24
  2.4 控制方程的无量纲分析  24-26
  2.5 实验参数的确定  26-27
第三章狭小受限空间内气膜孔流量系数的实验系统设计  27-51
  3.1 实验设计方案I  27-36
    3.1.1 供气系统  28
    3.1.2 实验段  28
    3.1.3 测量系统  28-29
    3.1.4 实验件及实验工况  29-31
      3.1.4.1 实验件  29-30
      3.1.4.2 实验工况  30-31
    3.1.5 实验数据处理方法  31-33
      3.1.5.1 流量系数的定义  31
      3.1.5.2 气膜孔雷诺数的定义  31-32
      3.1.5.3 流量换算公式  32-33
    3.1.6 实验数据分析  33-36
      3.1.6.1 设计方案I 实验结果与Gritsch实验结果比较  33
      3.1.6.2 实验误差分析  33-36
  3.2 实验改进方案I  36-45
    3.2.1 供气系统  37
    3.2.2 流量测试系统  37-43
      3.2.2.1 主流槽道流量计质量流量计算  38-40
      3.2.2.2 次流槽道流量计质量流量计算  40-41
      3.2.2.3 NI-LabView 数据采集系统  41-43
    3.2.3 改进方案I 中采用的仪器及其精度  43
    3.2.4 改进方案I 实验结果与Gritsch实验结果比较  43-44
    3.2.5 实验误差分析  44-45
  3.3 实验改进方案II  45-51
    3.3.1 流量测试系统  46-49
      3.3.1.1 涡街流量计的工作原理  46-48
      3.3.1.2 涡街流量计的组成  48
      3.3.1.3 涡街流量计换算公式  48-49
    3.3.2 压力测试系统  49
    3.3.3 改进方案II 中采用的仪器及其精度  49
    3.3.4 改进方案II 实验结果与Gritsch实验结果比较  49-51
第四章狭小受限空间内气膜孔流量系数的实验研究  51-63
  4.1 实验系统及实验工况  51-54
    4.1.1 实验段  51-52
    4.1.2 实验件  52-54
    4.1.3 气膜孔流量系数实验工况  54
  4.2 实验数据处理方法  54-55
    4.2.1 流量系数的定义  54-55
    4.2.2 气膜孔雷诺数的定义  55
    4.2.3 吹风比的定义  55
  4.3 实验结果与分析  55-61
    4.3.1 气膜孔雷诺数Re对气膜孔流量系数Cd 的影响  55-57
    4.3.2 吹风比M 对气膜孔流量系数Cd 的影响  57-59
    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  59-61
  4.4 流量系数经验公式  61-62
    4.4.1 流量系数经验关系式整理  61
    4.4.2 经验公式的误差范围  61-62
  4.5 本章小结  62-63
第五章狭小受限空间内气膜孔流量系数的数值模拟  63-75
  5.1 湍流模型  63-64
    5.1.1 Realizable k? ε模型  63-64
  5.2 计算模型  64-65
  5.3 网格划分  65-66
  5.4 计算边界条件及计算工况  66
  5.5 控制方程求解  66
  5.6 计算相关参数定义  66-67
  5.7 网格独立性实验  67
  5.8 计算结果分析  67-74
    5.8.1 计算可靠性验证  67-69
    5.8.2 气膜孔附近流场特性分析  69
    5.8.3 吹风比M 对流量系数Cd 的影响  69-71
    5.8.4 气膜孔雷诺数Re对流量系数Cd 的影响  71-72
    5.8.5 无量纲冷却通道高度h / d 对流量系数Cd 的影响  72-74
  5.9 本章小结  74-75
第六章实验误差分析  75-79
  6.1 装置误差  75
    6.1.1 流量测量仪器  75
    6.1.2 压力测量仪器  75
  6.2 环境误差  75
  6.3 人员误差  75-76
  6.4 测量方法的误差  76
  6.5 流量系数误差分析  76-79
第七章总结及展望  79-81
  7.1 本文总结  79-80
    7.1.1 狭小受限空间内气膜孔流量系数的实验研究  79
    7.1.2 狭小受限空间内气膜孔流量系数的数值模拟  79-80
  7.2 展望  80-81
参考文献  81-86
致谢  86-87
在学期间的研究成果及发表的学术论文  87

狭小受限空间内气膜孔流量系数的数值模拟和实验研究

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