旋转通道内流动和换热的测量
2016-09-12
 
深入研究旋转通道内部流动换热问题对于改善航空发动机涡轮叶片内部冷却具有重要实用价值。自上世纪60年代开始,就有国外的学者对旋转通道内的流动和换热进行测量,但是所获得的往往是换热结果,流动的研究基本空白。这是因为对通道内部流场的研究需要克服旋转条件下测试技术的难关,而准确获得旋转条件下通道内部流动的细节信息相比于换热结果,对于改善涡轮叶片设计、提高涡轮叶片内部冷却效率的意义更大。
 
为了了解旋转涡轮通道内部流动细节,我校能源与动力工程学院李海旺副教授的研究团队攻关克难,设计搭建了国内首个能够同时完成旋转通道内部流动细节以及换热细节测量的旋转实验台,校验了一系列流场测试技术(热线、PIV)在旋转实验台上的应用;并采用实验方法研究旋转通道内部流动问题。主要针对光滑直通道内主流以及二次流特性进行研究。研究从以下几个角度展开:旋转通道湍流边界层分层理论问题、旋转通道湍流边界层再层流化问题、旋转通道湍流边界层壁面律旋转修正问题、旋转通道内部二次流涡系运动规律问题以及旋转通道内部二次流流场与主流流场相互作用问题,以及旋转通道内部前缘面流动分离的问题。
 
 
 
李海旺副教授首次通过理论推导提出并通过实验结果证明了当哥氏力的影响入侵到了线性底层区时,已经无法采用半对数坐标平均速度型确定哥氏力影响范围下限,但是仍然可以采用√(uu(U_τ^2 ))在线性底层的斜率确定。并捕捉到了旋转通道前缘面边界层逐步再层流化的过程,并且发现了再层流化过程的一个重要特点,即uv的衰减要提前于uu以及vv的衰减过程。通过利用实验数据对雷诺应力输运方程中的各个分量进行分析,发现了造成这一特点的原因是uv的衰减在再层流化过程中起到了主导作用。
 
 
 
关于旋转通道湍流边界层壁面律旋转修正问题,获得了受再层流化影响较小的情况下,哥氏力层的对数律斜率1κ的旋转修正关系式,提出了对旋转通道湍流边界层速度型进行旋转修正必须把整个边界层内层当成一个整体进行修正,并且给出了对Van Direst公式进行修正必须采用的全新的湍流混合长度尺度分布规律所具备的特征。
 
关于旋转通道内部二次流涡系运动规律问题,首次通过实验研究了旋转通道内二次流涡系结构随流向位置、旋转数以及雷诺数变化的规律,发现了后缘面涡对结构沿流向或者随着旋转数的增大存在合并现象,并且通过环量分析发现了这一合并现象将会影响前缘面角区涡系结构变化规律,从而得出了研究旋转通道二次流流场应该把它当成一个整体进行研究的结论。
 
 
 
关于旋转通道内部二次流流场与主流流场相互作用问题,首次通过实验方法获得了旋转光滑直通道内主流三维重构流场,发现了后缘面附近二次流涡对结构能够引起当地主流三维重构流场凹陷。另外,在研究前缘面附近主流流场和二次流流场之间存在矛盾的问题时,通过引入假说对前缘面临界旋转数现象给出了不同于前人的解释。
 
 
 
关于旋转通道内部前缘面流动分离的问题,首次通过实验发现并验证了在旋转通道内前缘面附近,在壁面加热条件下,流体会在哥式力和离心浮升力的共同作用下产生分离,这将增强前缘面附近的换热效果。这一发现对于理解涡轮叶片通道内流动以及旋转叶片的设计有重要意义。
 
以上的研究成果已经发表在《International Journal of Heat and Mass Transfer》上。
 
李海旺,能源与动力工程学院,副教授,卓越百人,E-mail: 09620@buaa.edu.cn
 
参考文献
1Heat Transfer Investigation in a Rotating U-turn smooth channel with irregular cross-section, International Journal of Heat and Mass Transfer, 96 (2016) 267-277.