带肋通道中含雾空气冷却的
实验研究和数值模拟

摘要：

燃气轮机透平进口温度的不断提高，对透平叶片的冷却提出了更高的要求。含雾空气冷却相对于常规的空气冷却而言是一种新的冷却方式，表现出了高效的冷却性能和广泛的应用前景。本文针对带肋通道中的干空气和含雾空气冷却开展了实验研究和数值模拟，从而对含雾空气的换热特性和机理有更深的理解。

实验的Re数范围为15000~44000，热流密度范围3000~30000W/m²。首先对带肋通道中的干空气对流换热进行了实验研究和数值模拟，并与文献作比较，以验证实验系统和数值方法的可靠性，比较了AKN、V2F和SST三种湍流模型，同时分析了壁面和肋片导热对带肋通道对流换热的影响。含雾空气冷却实验中采用Shadow系统测量了实验段进口处的液滴粒径，液滴的平均粒径为5μm；研究了热流密度、主流Re数和雾滴质量分数对带肋通道中含雾空气冷却的影响。含雾空气与干空气对流换热结果的比较表明：增加雾滴质量分数能增大含雾空气的换热；主流空气中加入质量分数1%~5%的雾滴能使换热相对干空气增强10%~80%；含雾空气相对于干空气的强化换热效果随热流密度和主流Re数的增大而减小。

采用非耦合的离散相模型对带肋通道中的含雾空气冷却进行了数值模拟，结果和实验值吻合较好。但由于忽略了湍流脉动对颗粒输运的影响，该简化模型不能充分反映出各因素对颗粒输运特性及换热的影响。

本文最后在直肋通道的流动和换热研究的基础上，提出了两种新的肋片结构，即分离肋和交叉间隔斜肋，并对其流动和换热作了数值研究。结果表明，分离肋使得流体分层，流体不能充分混合，反而弱化了换热；交叉间隔斜肋能产生强烈的二次流，从而能强化换热。

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