复杂涡结构下气膜冷却的传热和流动研究.pdf

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1、硕士学位论文复杂涡结构下气膜冷却的传热和流动研究RESEARCHONHEATTRANSFERANDFLOWOFFILMCOOLINGUNDERCOMPLEXVORTEXSTRUCTURE王鑫哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TK471学校代码：10213国际图书分类号：621.438密级：公开工程硕士学位论文复杂涡结构下气膜冷却的传热和流动特性研究硕士研究生：王鑫导师：温风波副教授申请学位：工程硕士学科：动力工程所在单位：能源科学与工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TK471U.D.C:621.438Disserta

2、tionfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONHEATTRANSFERANDFLOWOFFILMCOOLINGUNDERCOMPLEXVORTEXSTRUCTURECandidate：WangXinSupervisor：A-Prof.WenFengboAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：PowerEngineeringAffiliation：SchoolofEnergyScienceandEngineeringDateofDefence：June,2018Degree

3、-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要燃气轮机在现代动力机械中发展最为迅猛且具有明显优势，广泛应用于航空、船舶、发电等军民领域，因此燃机制造技术也成为了各国高投入、严封锁且争相发展的高端技术。然而随着燃气轮机功率的不断提升，导致其燃烧室出口温度过高，超出了涡轮叶片金属材料的耐热极限，对其工作运行提出了严峻的考验，故对涡轮叶片进行有效的冷却尤为重要。而在众多的冷却技术中，气膜冷却独具优势且最常用于燃机涡轮叶片的冷却，因此具有很大的研究和开发价值。在真实的燃机涡轮中，叶片通道内复杂的三维流动

4、结构使得气膜冷却的工作环境较差，且在很大程度上影响着冷气的作用效果。本文则针对某一特定复杂涡系下的气膜冷却情况进行研究，分析其传热效果和流动特性。这里的特定复杂涡系由冷气孔前方的圆柱扰流产生，文中就此单独计算并分析了其结构特征，虽然此复杂涡系和实际叶片中的涡系结构不完全相同，但仍有共通之处，可类比分析为实际气膜冷却的研究提供一定的参考。首先，采用雷诺平均（RANS）方法对复杂涡系下气膜冷却的传热特性进行了研究，直观的评估了其冷却效果。通过对比分析三种不同吹风比工况时复杂涡系下气膜冷却的计算结果，认为低吹风比时，来流涡系的干扰并不利于气膜冷却的工作，而中高吹风比条件下，复杂涡系的干扰起

5、到了在一定程度上改善气膜冷却效果的作用，且高吹风比下其改善效果更明显。另外，对比了旋涡作用距离L为4d，6d，8d，10d四种条件下气膜冷却的绝热冷却效率云图和变化趋势，结果显示当作用距离较近时，冷气孔前缘处会出现冷却区，且存在最佳作用位置使得其整体冷却效果为该工况下最佳。为了解释产生不同传热效果的原因，进一步对复杂涡系下气膜冷却的流动特性进行了分析。由于定常结果不能够很好的描述其流动特征，故又利用分离涡模拟（DES）方法进行了非定常计算。结果发现复杂涡系来流导致气膜冷却的流场结构发生了一定的变化。其中，圆柱前缘的马蹄涡尺度较小，对下游冷气射流的流动不存在干扰作用，主要对气膜冷却流场

6、结构造成影响的为拱形涡和尾涡，它们主要存在并作用于中间区域。拱形涡作用使得中间孔的部分射流回流，冷气孔前方出现冷却区，尾涡则将冷气压向壁面夹带着其向展向扩散，使得展向上的冷气覆盖范围更大，但同时也减弱了冷气沿流向的传播能力，故低吹风比时，下游较远处无法得到很好的冷气覆盖，存在大面积低效率区域，而这种情况随着吹风比的增大逐渐改善。关键词：复杂涡系，气膜冷却，传热效果，流动特性-I-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractGasturbineisdevelopingmostrapidlyandhasobviousadvantagesinmodernpowermachinery.It

7、iswidelyusedinaviation,shipbuilding,powergenerationandothermilitaryandcivilianfields.Therefore,gasturbinemanufacturingtechnologyhasalsobecomeahigh-endtechnologywithhighinput,strictblockade,andcompetingdevelopmentinvariouscountries