【摘 要】
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燃气涡轮发动机作为一种动力装置,在航空、发电、化工、船舶等领域有着广泛的应用。现代燃气轮机系统的目标是使涡轮机进口温度在大约1900 K至2200 K之间变化,该温度远远超过超级合金材料的熔化温度。因此,需要一种高效且可靠的冷却系统,以保证整个动力装置的运行和耐用性。微通道冷却是近些年兴起的新型内部冷却方法,特别是在金属3D打印技术飞速发展的今天,使得用于燃气轮机冷却的内部通道的新颖几何特征可以超
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燃气涡轮发动机作为一种动力装置,在航空、发电、化工、船舶等领域有着广泛的应用。现代燃气轮机系统的目标是使涡轮机进口温度在大约1900 K至2200 K之间变化,该温度远远超过超级合金材料的熔化温度。因此,需要一种高效且可靠的冷却系统,以保证整个动力装置的运行和耐用性。微通道冷却是近些年兴起的新型内部冷却方法,特别是在金属3D打印技术飞速发展的今天,使得用于燃气轮机冷却的内部通道的新颖几何特征可以超越使用传统技术制造的那些特征。因此微通道流动与传热特性的研究,对燃气轮机的设计与制造具有重大的理论意义和应用价值。首先,对波形微通道进行了网格无关性验证及模型验证,确保了数值模拟的可行性和合理性。以上述模型为基础,考察了波高、波间距、雷诺数对通道总体性能的影响规律。阻力系数和努塞尔数随着波高的增加逐渐增加,努塞尔数与直通道相比均提高了28%以上;阻力系数和努塞尔数随着波间距的增加逐渐降低,综合换热性能差距不超过2%（S>0）。并结合对通道内速度场、温度场、湍动能场、强化换热系数的空间分布规律的分析,发现通道中迪恩涡流的强度随着波高的增加逐渐增加,揭示了单一波形微通道的强化换热机理。采用响应曲面法就雷诺数、波高、波间距对单一波形微通道阻力系数及换热性能进行了详细的分析,并且给出了目标函数的预测多项式。借鉴宾夕法尼亚大学关于涡轮叶片冷却微通道的论文及电子芯片冷却领域中的波形结构,衍生出多种波形结构并对其进行了数值模拟。研究发现在不同波长微通道中,阻力系数和努塞尔数随着波长的增加逐渐减小,综合换热性能先增加后减小,而且通道中迪恩涡流的强度逐渐减小。λ=0.1l与λ=0.2l相比,阻力系数降低了47.6%,努塞尔数只降低了7.6%,适当的增加波长可以改善通道的传热性能。在组合波形通道中,结构6（两种波长交替）与结构1（单一波形）相比综合换热性能提高了9.1%,而努塞尔数只降低了3.7%。而针对树状微通道,考察了雷诺数、分支宽度和分支角度对通道总体性能的影响规律,研究发现随着分支宽度的增加,流体对分支的冲击作用减弱,通道中迪恩涡流的范围和强度逐渐减小,换热性能逐渐降低。最后,通过对单一波形、组合波形和树状微通道的数值模拟,揭示了其强化换热机理,为后续涡轮叶片微通道的设计研究提供了参考。
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