【摘要】：隨著工業(yè)技術(shù)的不斷革新,能源已成為推動(dòng)社會(huì)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基本源動(dòng)力。但當(dāng)今社會(huì)仍面臨著因能源利用率低所造成的巨大的環(huán)境問題,如何提高機(jī)械系統(tǒng)效能利用率已成為當(dāng)今世界性難題。燃?xì)廨啓C(jī)被命名為機(jī)械技術(shù)皇冠上的明珠,以其高效、清潔廣泛應(yīng)用于航空航天、電力能源、軍事國(guó)防等領(lǐng)域。多年的發(fā)展使得我國(guó)在燃?xì)廨啓C(jī)制造領(lǐng)域有著長(zhǎng)足的進(jìn)步,但距離國(guó)際先進(jìn)水平相比仍存在很大差距。具體體現(xiàn)在沒有掌握核心技術(shù),熱端部件設(shè)計(jì)、制造、維修及控制等關(guān)鍵問題仍需攻關(guān)。核心技術(shù)自主研發(fā)和國(guó)產(chǎn)化已成為保證經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)防建設(shè)所亟待解決的重大問題,國(guó)家先后在2015年出臺(tái)的《中國(guó)制造2025》中指出“要組織實(shí)施包括航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)等在內(nèi)的一批創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化專項(xiàng)、重大工程”;在2017年國(guó)家發(fā)改委和國(guó)家能源局聯(lián)合印發(fā)《依托能源工程推進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)創(chuàng)新發(fā)展的若干意見》等多項(xiàng)國(guó)家政策措施內(nèi)容均提及大力發(fā)展具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)家戰(zhàn)略型裝備技術(shù),是實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略目標(biāo)的重要手段。本文結(jié)合國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目《仿生非光滑表面結(jié)構(gòu)沖擊冷卻關(guān)鍵技術(shù)研究》對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)高溫部件簡(jiǎn)化模型表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì),同時(shí)探討了仿生結(jié)構(gòu)在高溫壁面沖擊冷卻中的應(yīng)用,并分析了仿生結(jié)構(gòu)對(duì)壁面沖擊冷卻特性的影響。主要工作包括:第一,本文從燃?xì)廨啓C(jī)高溫部件沖擊冷卻特性出發(fā),研究了流體力學(xué)數(shù)值模擬方法,對(duì)控制方程、離散化方法進(jìn)行了研究。通過分析冷空氣和噴霧復(fù)合沖擊冷卻方法及機(jī)理,選用兼顧運(yùn)算效率和運(yùn)算時(shí)間的Realizable k-ε模型作為沖擊冷卻流場(chǎng)分析的湍流模型,并確定了本文分析中所需的近壁面函數(shù)及評(píng)價(jià)函數(shù)。第二,作為一種有效的冷卻方式,擾流柱結(jié)構(gòu)在高溫部件壁面模型中,起到了擾流強(qiáng)化換熱的作用。本文分別在空氣和噴霧沖擊冷卻條件下,對(duì)擾流柱結(jié)構(gòu)高溫壁面模型的流動(dòng)特性及換熱特性進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過結(jié)構(gòu)對(duì)比表明,具有擾流柱結(jié)構(gòu)的高溫部件壁面較光滑壁面具有更好的沖擊冷卻效果;噴霧式復(fù)合冷卻方式壁面換熱最優(yōu)。因此,在高溫部件壁面排布擾流柱結(jié)構(gòu)將有利于提高高溫壁面沖擊冷卻效果。第三,向自然學(xué)習(xí),基于仿生學(xué)思想,模擬沙丘成型機(jī)理,探討了仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在高溫壁面上應(yīng)用的可行性,通過分析表明仿沙紋肋式結(jié)構(gòu)具有較好的換熱效果。隨后,通過對(duì)比仿沙紋肋式結(jié)構(gòu)沖擊孔的排布距離,發(fā)現(xiàn)仿沙紋肋式結(jié)構(gòu)布置位置越靠近沖擊孔,受對(duì)稱渦流影響的越小,冷卻效果越好。而后,分析了不同仿沙紋肋式結(jié)構(gòu)對(duì)沖擊冷卻的影響,發(fā)現(xiàn)仿沙紋肋高度越高,沿著高溫壁面流動(dòng)的冷卻介質(zhì)能量消耗越大,冷卻效果越差。第四,在前文的仿生研究基礎(chǔ)上,通過分析蝴蝶翅膀“塔型”微結(jié)構(gòu)特點(diǎn),建立了仿蝴蝶肋式結(jié)構(gòu)模型。首先,通過仿沙紋肋式結(jié)構(gòu)模型的沖擊冷卻分析,確定了仿蝴蝶肋式結(jié)構(gòu)排布位置。然后,分別對(duì)四種不同形狀的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了流場(chǎng)和溫度場(chǎng)對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)尖角脊蝶肋結(jié)構(gòu)模型對(duì)冷卻腔和高溫壁面的換熱效果要強(qiáng)于圓角脊蝶肋結(jié)構(gòu)模型。而后,通過分析仿蝴蝶式結(jié)構(gòu)高度參數(shù)對(duì)其高溫壁面沖擊冷卻影響,發(fā)現(xiàn)改變肋式結(jié)構(gòu)的高度,將影響沖擊孔到冷卻腔封閉面區(qū)域內(nèi)冷卻介質(zhì)的流動(dòng),進(jìn)而影響高溫壁面的冷卻效果。最后,對(duì)全文進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)并對(duì)未來的工作進(jìn)行了展望。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TK472
【圖文】：

圖 1.1 應(yīng)用在不同領(lǐng)域的燃?xì)廨啓C(jī)Fig 1.1 Gas turbine of different fields隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)的主要功能早已不單單是為了節(jié)省馬力，作為迄今為止發(fā)電轉(zhuǎn)換效率最高的機(jī)械裝置，燃?xì)廨啓C(jī)廣泛應(yīng)用于發(fā)電、車輛動(dòng)力、艦船、航空航天等工業(yè)制造領(lǐng)域，圖 1.1 展示了不同領(lǐng)域中的燃?xì)廨啓C(jī)。當(dāng)前通過聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)組所產(chǎn)生的電能約占全球總發(fā)電量的 22%，并有不斷提高的趨勢(shì)[6]。相比于往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)具有功率重量比更小、燃料適應(yīng)性更佳、持續(xù)高功率輸出中更少運(yùn)動(dòng)部件帶來的低維護(hù)成本和高可靠性、完全燃燒帶來的高效能源轉(zhuǎn)換及清潔排放等優(yōu)點(diǎn)。在相同輸出功率的前提下，柴油燃機(jī)是燃?xì)廨啓C(jī) 5 倍大小，而蒸汽輪機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)的體積差則達(dá)到了 10 倍，燃料轉(zhuǎn)化效率卻遠(yuǎn)低于燃?xì)廨啓C(jī)。燃?xì)廨啓C(jī)是制造業(yè)發(fā)展與技術(shù)研究領(lǐng)域共同孕育的結(jié)晶，進(jìn)而被譽(yù)為“工業(yè)皇冠上的明珠”。重型燃?xì)廨啓C(jī)的研發(fā)和制造水平不僅代表了一個(gè)國(guó)家理論學(xué)科和工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展的綜合實(shí)力，更是關(guān)系到民生、能源、軍事、國(guó)防的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，是衡量國(guó)家綜合國(guó)力的標(biāo)志。發(fā)達(dá)國(guó)家無不投入大量研發(fā)資

圖 1.8 Rundstrom 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖Fig 1.8 The Results of Rundstrom’s experiment障涂層技術(shù)及氣膜冷卻方法的研究 1.6（d）所示，熱障涂層技術(shù)（TBC）比較廣泛的應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)的保護(hù)其金屬表面免受高溫氣體的破壞。具體的實(shí)施方案是在設(shè)計(jì)好的表面，噴涂一層熱導(dǎo)系數(shù)低且本身具有耐高溫性質(zhì)的涂層材料，如 在正常工況內(nèi)工作運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，熱障涂層表面將會(huì)克服原本渦輪葉片和燃到的熱應(yīng)力分布不均、高溫極限和腐蝕性化學(xué)成份等惡劣工況造成的層表面是固體材料，在材料與加工上有更多的可操作空間。因此，目然幾乎被用于所有熱端部件，但相關(guān)研究的進(jìn)展主要依賴于高溫材料術(shù)的進(jìn)步。氣膜冷卻技術(shù)，見圖 1.6（e），早期為了獲得理想的隔離冷縫出流口。狹縫結(jié)構(gòu)會(huì)破壞葉片的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，以至于氣膜冷卻的

CFD仿真分析，探究其在燃?xì)廨啓C(jī)過渡段雙腔室結(jié)構(gòu)中對(duì)沖擊冷卻的傳熱、擾流效果影響，并探討文中仿生肋式結(jié)構(gòu)沖擊冷卻的作用機(jī)理。全文的研究脈絡(luò)如圖1.11所示。為了實(shí)現(xiàn)上述的研究目標(biāo)，本文主要研究了以下內(nèi)容：（1）從燃?xì)廨啓C(jī)高溫部件沖擊冷卻流場(chǎng)及熱場(chǎng)分析理論出發(fā)，討論了CFD數(shù)值模擬方法，對(duì)控制方程、離散化方法和湍流模型進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研究。在考慮兼顧運(yùn)算效率和運(yùn)算時(shí)間的前提下，選取Realizable k- 模型作為高溫壁面沖擊冷卻流場(chǎng)分析的湍流模型。同時(shí)分析了冷空氣和噴霧復(fù)合沖擊冷卻方法及機(jī)理，并確定了本文分析過程中所需

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本文編號(hào)：2769962