吉林大学学报(工学版) ›› 2018, Vol. 48 ›› Issue (6): 1793-1798.doi: 10.13229/j.cnki.jdxbgxb20170699

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仿鲨鳃扰流结构的过渡段换热表面优化设计

郭昊添1(),徐涛1,梁逍1,于征磊2(),刘欢1,马龙1,3   

  1. 1. 吉林大学 机械科学与工程学院,长春 130022
    2. 吉林大学 工程仿生教育部重点实验室,长春 130022
    3. 空军航空大学 航空作战勤务学院,长春 130022
  • 收稿日期:2017-07-05 出版日期:2018-11-20 发布日期:2018-12-11
  • 作者简介:郭昊添(1989-),男,博士研究生.研究方向:计算力学.
  • 基金资助:
    国家科技重点研发计划项目(2018YFB1105100);国家自然科学基金青年基金项目(51505181);中国博士后基金项目(2016M590256);省校共建计划先进制造专项项目(SXGJSF2017-2)

Optimization on thermal surface with rib turbulator inspired by turbulence of alopias' gill in simplified gas turbine transition piece

GUO Hao-tian1(),XU Tao1,LIANG Xiao1,YU Zheng-lei2(),LIU Huan1,MA Long1,3   

  1. 1. College of Mechanical Science and Engineering, Jilin University, Changchun 130022,China
    2. Key of Bionic Engineering,Ministry of Education, Jilin University, Changchun 130022,China
    3. College of Aviation Warfare Scervice,Aviation University of Air Force,Changchun 130022,China
  • Received:2017-07-05 Online:2018-11-20 Published:2018-12-11

摘要:

借鉴长尾鲨鳃部呼吸作用时鳃弓的扰流特性及湍流发生机理,设计了带有肋式扰流结构的仿生换热表面,并建立了带有此仿生换热表面的过渡段双腔室模型。利用FLUENT仿真软件进行数值模拟,得到该过渡段冷却腔室内的温度场、速度矢量场及努塞尔数分布。采用全面试验设计建立了关于肋式扰流结构高度和宽度设计变量对换热表面的加权平均温度和最小压强的代理模型,通过粒子群优化算法获得此肋式扰流结构的最佳设计方案。结果表明,带有肋式扰流结构的仿生换热表面能够强化射流冲击冷却,可将过渡段冷却腔室内的冷却效率提升340%。

关键词: 工程仿生学, 仿生换热表面, 数值模拟, 优化设计, 肋式扰流结构

Abstract:

Based on flow characteristics around the gill of alopias, a bionic thermal surface with a rib turbulator was designed in a simplified gas turbine transition piece. The thermal performance of the heat transfer surface with a rib turbulator in a double-chamber model was investigated. The CFD simulation was carried out using software FLUENT to obtain the temperature contour and the velocity vector distribution on the thermal surface. The impinging cooling efficiency and the Nusselt number were computed also. The regression equation about the area weighted average temperature and the minimum pressure on the thermal surface was obtained by using a comprehensive experimental design and regression analysis method to study the effect of height and width of the turbulence generator. The optimal height and width of the ribbed turbulence generator were evaluated by the particle swarm optimization algorithm. The simulation results indicate that the bionic thermal surface can improve the convective heat transfer and the cooling efficiency of the double-chamber is improved by 340%.

Key words: engineering bionics, bionic thermal surface, numerical simulation, optimal design, rib turbulator

中图分类号: 

  • TB17

图1

长尾鲨鳃部示意图"

图2

过渡段结构示意图"

图3

带有仿生表面的过渡段双腔室模型"

表1

某重型燃气轮机过渡段工作时的参数"

类别 边界条件 数值
燃气
入口
燃气流量/(kg·s-1)
入口温度/K
湍流强度/%
水力直径/m
32.72
1300
5
0.324
燃气
出口
出口压力/MPa
湍流强度/%
水力直径/m
对流换热系数/[W·(m2·K-1)]
1.573
5
0.324
10
冷却
空气
腔室
冷却空气温度/K
冷却空气压力/MPa
压力恢复系数
湍流强度/%
水力直径/m
300
1.6558
0.98
10
0.01026

表2

设计变量及输出结果"

序号 H/mm W/mm T/K P/Pa η/10-2 Nuˉ
1 5.13 5.13 1235.28 1 623 164.2 6.47 2146.82
2 5.13 10.26 1234.19 1 623 907.5 6.58 2400.93
3 5.13 15.39 1220.65 1 622 719.4 7.93 2441.41
4 5.13 20.52 1228.74 1 622 658.6 7.13 2205.34
5 10.26 5.13 1220.11 1 622 920.7 7.99 2408.47
6 10.26 10.26 1229.48 1 623 225.9 7.05 2194.11
7 10.26 15.39 1221.64 1 622 817.5 7.84 2295.77
8 10.26 20.52 1205.32 162 4361.8 9.47 3753.20
9 15.39 5.13 1199.92 1 623 140.9 10.01 3987.20
10 15.39 10.26 1190.40 1 624 660.5 10.96 4068.83
11 15.39 15.39 1212.31 1 624 927.0 8.77 2823.34
12 15.39 20.52 1198.00 1 624 995.1 10.20 3895.90
13 20.52 5.13 1154.73 1 625 081.6 14.53 4911.70
14 20.52 10.26 1207.83 1 623 267.7 9.22 3461.25
15 20.52 15.39 1184.81 1 624 841.9 11.52 4064.44
16 20.52 20.52 1183.00 1 624 720.4 11.7 3814.96

图4

温度分布云图对比"

表3

光滑换热表面与仿生换热表面传热特性对比"

Tmin/K T/K η
光滑换热表面 783 1262.68 3.73×10-2
仿生换热表面 575 1135.8 16.42×10-2

图5

冷却腔室内冷却介质的流线对比图"

图6

冷却腔室内冷却介质的速度矢量图"

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