微盘腔流动与换热机理研究

Micro gas turbines possess the advantages of small size, light weight and high.density power that can be used as the propulsion of aircrafts as well as the power supply system for micro-electrical mechanisms, so that they are significant both in military and civil applications. The micro scale can carry out high rotating speed as fast as 10000000 rpm, while leads to more serious heat transfer problems comparing with that of conventional engines. The micro rotating disc cavity is composed by many kinds of rotors and stators that locate between the compressor and the turbine. Under super high speed conditions, it would present new flow and heat transfer features in such micro rotating disc cavities. The core scientific issue of this project is right to reveal the mechanism of flow and heat transfer in the micro disc cavities with super high rotation speed by theoretical analysis, numerical simulation and experimental research methods. The purpose of this project is to obtain the function of the centrifugal force on the flow in the micro disc cavity, reveal the physical mechanism of strong centrifugal force and its derivative of buoyancy lift on the influence of flow and heat transfer in the micro disc cavity , verify the influence rules of the scale effect on the flow and heat transfer in the micro disc cavity, and further enrich the flow and heat transfer theory to provide the technological basis on controlling the heat.transfer between the micro turbine and compressor components , while offer the reference on designs of other micro scale machines with super high rotating speed.

超微型涡轮发动机具有尺寸小、重量轻和功率密度高等优点，可作为飞行器的动力装置，也可作为微电子机械的供电系统，具有重要的军事应用价值和广阔的民用应用前景。由于尺寸过小，不仅导致发动机可达到每分钟上百万转的超高转速，也导致了比常规发动机更为严重的传热问题。.实际结构中，压气机和涡轮之间有多种由转子和静子组成的微型旋转盘腔，在超高转速的作用下，这些微型旋转盘腔的流动与换热将出现新的特点，揭示“超高转速微型旋转盘腔内流动与换热机理”则为本申请项目的核心科学问题。.拟通过理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法，以期：①获得超强离心力对微盘腔内流动的作用机理；②揭示强离心力及其衍生的浮升力对微盘腔内的流动与换热影响的物理机制；③探明尺度效应对微腔内流动与换热的影响规律，进一步丰富流动与换热理论，为抑制超微型发动机涡轮与压气机部件之间的传热提供参考。

随着微电子机械系统技术、新材料技术、微加工技术等多个科学领域的发展，微型涡轮发动机得到了快速发展，即可作为微小飞行器的动力装置，也可作为微电子机械的供电系统，具有重要的军事应用价值和广阔的民用应用前景。.虽然微型涡轮发动机的工作原理和基本构造与普通燃机基本一致，然而由于超高转速以及微小尺度的影响，在研究设计中不能直接将普通燃机作简单的等比例缩小。目前，微型涡轮发动机的设计瓶颈在主要于轴向绝热差、热防护困难，直接影响了其工作效率。.因此，本项目采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法，对微型涡轮发动机中典型的、具有超高转速的、微尺度盘腔流动与换热问题开展了深入研究，探讨了超高转速微盘腔内的流动与换热物理机理、强离心力及其衍生的浮升力之作用机制，以及尺寸效应对微盘腔内流动与换热的影响规律。.研究结果表明：（1）在相同无量纲准则数下，与常规尺寸盘腔相比，超强离心力及其衍生浮升力对微小尺寸盘腔内的流动结构基本没有影响。（2）换热方面与常规尺寸盘腔存在着显著差异，随着旋转雷诺数的增大和转盘过余温度的减小，超强离心力引起的粘性耗散导致转盘高半径区域换热发生显著恶化。（3）离心力衍生的浮升力随着转盘过余温度的增大抑制了盘腔内的流动，削弱了转盘整体换热水平。（4）微小尺寸旋转盘腔存在着明显的尺寸效应，即在相同离心力和离心浮升力变化程度下，随着转静盘间隙尺寸的缩小，粘性耗散对于转盘换热的抑制效果更加突出。（5）定义了临界无量纲半径，用来判断强离心力引起的粘性耗散对盘腔内换热影响的范围及程度，并给出了特定几何结构下临界无量纲半径的计算方法，可用于支撑微小旋转盘腔的设计。.总体而言本项目在理论上进一步丰富了流动与换热理论，工程上可以为抑制超微型发动机涡轮部件与压气机部件之间的传热提供技术基础，支撑微型涡轮发动机的设计，进而推动其进一步向前发展，同时也为其他微小型超高转速的旋转机械研制提供参考。