新型凹陷涡发生器冷却结构内流动与传热的实验和数值计算研究

本项目以燃气轮机涡轮叶片内部高效冷却为应用背景，开展具有新型凹陷涡发生器的先进冷却技术研究。本项目拟通过采用非球面新型凹陷涡发生器结构，实现较传统球面凹陷在强化传热能力上得到局部和总体上全面提高，并保持流动阻力在一个低水平。在实验研究方面，拟采用瞬态液晶热像技术进行传热测量，获得高分辨率壁面温度以及局部传热系数分布，揭示具有新型凹陷涡发生器的表面对流传热特征；拟分别应用粒子图像速度仪（PIV）和油膜显示技术于凹陷涡发生器外部和内部流场的测量，以获得速度、湍流度和流场结构特征。在数值计算方面，拟采用离涡模拟（DES）方法进行高精度数值计算，以及采用Dissipation Element方法进行数据分析，实现更系统与定量地描述湍流边界层，阐明新型凹陷涡发生器强化对流传热的机理性问题。在掌握非球面凹陷涡发生器强化对流传热规律的基础上，实现对具有新型凹陷涡发生器的冷却结构优化设计。

本项目以燃气轮机涡轮叶片内部高效冷却为应用背景，开展了具有新型凹陷涡发生器的先进冷却技术研究。本项目通过采用非球面新型凹陷涡发生器结构（泪滴形、倾斜椭球形以及分别具有前缘倒圆和全边缘倒圆的凹陷结构等），在湍流条件下实现了较传统球面凹陷在强化传热能力上得到局部和总体上全面提高，并保持流动阻力在一个低水平。在实验研究方面，独立开发了基于瞬态液晶热像技术的高精度传热测试技术，建立了相关硬件系统和编制了数据分析软件；并应用该先进传热测试技术对各种凹陷涡发生器全表面传热性能进行实验研究，获得了高分辨率的凹陷内部及外部表面温度，并获得这些区域详细的局部传热系数分布，揭示了具有新型凹陷涡发生器表面对流传热特征。另一方面，本课题组应用激光粒子图像速度仪和油膜显示技术于凹陷涡发生器外部和内部流场的测量，获得了凹陷涡发生器独特的速度、湍流度和涡流场结构特征。在数值计算方面，对多种类型的凹陷涡发生器流动与传热进行了高精度数值计算，并进行了详细数据分析，通过与实验结果对比共同阐明了凹陷涡发生器形状对凹陷涡内部涡流结构以及排出涡流形式的影响规律，并揭示了这些涡流特征对凹陷涡强化对流传热的机理性问题。在掌握非球面凹陷涡发生器强化对流传热规律的基础上，实现了对具有新型凹陷涡发生器的冷却结构优化设计。 通过该项目研究，发表了SCI国际期刊论文9篇，国内核心期刊6篇；参加了6次国际学术会议和7次国内学术会议；申请了国家发明专利4项（授权2项），申请PCT国际发明专利一项；以及获得软件著作权1项；培养博士生2人，硕士生6人以及本科生8人。项目研究期间，与美国Iowa State University的Hui Hu教授和德国斯图加特大学Bernhard Weigand教授进行了科研合作与学术交流，丰富了本项目研究成果。