免费论文：多孔/流体/固体多域流热耦合数值模拟方法以及耦合机制研究

随着航空航天技术的不断发展，航空航天飞行器热端部件所承受的热负荷越来越高，发展简单高效的热防护技术以及对带复杂冷却系统的热端部件温度场进行精确预测已经成为航空航天领域最热门的课题之一。相对于普通冷却方式来说，以多孔介质为载体的发汗冷却结构形式具有冷却效率高、覆盖性能好、易于控制等优点，是目前最具有发展潜力的先进冷却方式之一。围绕如何准确预测带有包括发汗冷却在内的复杂冷却系统的热端部件温度场这一核心问题，本文发展了多孔/流体/固体多区域流热耦合数值模拟方法，完善了多块并行的多孔/流体/固体多区域三维流热耦合数值模拟程序，并进行了相关的流热耦合机制研究。本文针对于多孔/流体/固体多区域复杂流热耦合问题发展了基于密度的数值模拟方法，并在本课题组已有的流热耦合程序的基础上完善了多孔/流体/固体多区域三维流热耦合数值模拟程序，该程序的主要特点包括：采用基于预处理的时间推进法来求解由多孔材料、纯流体以及纯固体组成的耦合区域复杂流动和换热问题，其中流体的类型包括可压缩、不可压缩或者任意指定状态方程的流体；添加基于局部变量的 转捩模型，有效提高了有转捩条件下的流热耦合数值模拟精度；添加能够保证通量守恒的非匹配流固交界面边界条件，增强了程序处理复杂流热耦合问题的能力；添加了非定常模块以及并行功能，实现了多孔/流体/固体非定常流热耦合问题的快速求解等。通过一系列代表性算例对所添加的模块功能进行了系统的校验与分析，结果表明所发展程序的各个模块功能良好，具有较高的数值精度和可靠性。利用所发展的程序对真实条件下的气冷涡轮叶片进行了流热耦合机制研究。首先对带有10个径向冷却孔的MarkⅡ跨音高压涡轮叶栅进行了准三维流热耦合数值模拟研究，其中湍流模型分别采用了SST、SST+AGS、SST+ 三种模型，研究结果表明，相对于涡轮通道内部流动来说，上述3种模型对于对于涡轮叶片换热预测精度的影响更加明显。使用SST+ 模型能够更准确的模拟激波与边界层相互作用条件下的转捩过程，可以显著提高涡轮叶片表面温度分布的预测精度。接下来对带有前缘气膜冷却孔的涡轮叶片进行了三维流热耦合数值模拟研究，分析了冷却射流与高温主流相互作用形成的复杂流场特点以及冷气流量等因素对气膜冷却效率的影响，结果表明气膜冷却效果与冷气流量之间并不是简单的正比关系，当冷气射流不能穿透主流边界层时，气膜冷却效果随冷气流量的增加而增加；当冷气射流能够穿透边界层时，邻近射流孔的一部分区域由于冷气射流的扰流效应而温度较高，因而射流孔后的温度分布呈现出先降低后增加的趋势，并且随着冷气流量的增加，射流孔后前一部分区域冷效率降低，后一部分区域的冷却效率则提高。最后还对周期性尾迹作用下的高负荷T106低压涡轮叶栅进行了非定常流热耦合数值模拟研究，结果表明SST- 转捩模型能够很好的模拟低压涡轮吸力面尾缘的尾迹诱导转捩过程，周期性尾迹能够明显的削弱叶片吸力面尾缘的分离泡，抑制边界层的分离趋势；并且由于叶片材料的热传导系数很大，与绝热壁面条件下的结果相比，流热耦合条件下叶片吸力面与压力面之间的温差变小，叶片表面的温度脉动幅值也大大减小。针对于多孔介质在强化换热方面的应用，对多孔介质材料在强迫对流以及冲击射流作用下的流动与换热特性进行了数值模拟研究。首先对设置有交错多孔/固体肋片的平行通道通道内的流动形态与换热特性进行了研究，结果表明，与光通道相比，设置固体/多孔肋片能明显改变通道内的流动结构，并显著提高局部换热性能；由于多孔肋片具有可渗透性，多孔肋片所造成的边界层分离程度不如固体肋片，通道内的流动结构有较大的差别，相应的换热性能也有所减弱，但所造成流体阻力也会减少。接下来对受冲击壁面上铺设多孔介质层对受限层流冲击射流的流动结构以及换热特性影响进行了数值模拟研究，研究结果表明，在目前的计算条件下，在其它参数一定时，雷诺数、孔隙率对通道内流动结构的影响有限；达西数、多孔介质层厚度则对流动结构的影响很大；上述参数对受冲击壁面的总体换热性能均有明显的影响；在受冲击壁面上铺设高渗透率、高热传导系数以及高比表面积的多孔材料能更有效的增强换热性能。对一些典型的完整多孔介质发散冷却过程进行数值模拟研究，其中包括层/湍流平板发散冷却、低速不可压钝体头锥发散冷却以及超音速弹头发散冷却，分析了现有的SA以及SST湍流模型在湍流发散边界层中的适用性以及一些典型因素对发散冷却效果的影响。研究结果表明，采用SA模型能够更好的模拟出冷气渗流对粘性底层厚度增加的影响，相应的计算精度更高一些。影响发散冷却效果的最主要的因素是受保护壁面上冷气边界层的厚度，在所研究的条件下，发散冷却效果随着冷气注入率的增大而提高；随主流雷诺数的增大而减小；并且主流存在逆压梯度也有利于发散冷却效果的提高。对于存在着强烈气动加热现象的超音速弹头来说，发散冷却可以有效保护承受高热负荷的壁面，同时多孔壁面冷气渗流还会与钝体前缘弓形激波产生相互作用，随着冷气喷注率的增大，激波就越会被往外推离壁面。

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