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| 編輯推薦： |
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本书可作为航空发动机高温冷却部件研究学者的参考书籍，也可供能源、化工领域学者参考。
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| 內容簡介： |
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本书针对航空发动机涡轮叶片的冷却技术研究进行了论述，全书主要由三部分内容组成，分别为涡轮叶片冲击冷却结构的流动与换热特性研究、涡轮叶片内部扰流柱冷却结构对外部气膜冷却特性的影响研究、涡轮叶片微小尺度冷却结构的相似流动特性研究。本书可作为航空发动机高温冷却部件研究学者的参考书籍，也可供能源、化工领域学者参考。
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| 關於作者： |
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郑杰，男，1987年11月生，甘肃平凉人，中共党员，讲师。2009本科毕业于山西大学热能与动力工程专业；2012年硕士毕业于西北工业大学工程热物理专业；2015年4月毕业于西北工业大学大学航空宇航科学与技术专业，获博士学位，同年4月到西安石油大学工作。指导研究生参加中国石油装备创新设计大赛获1等奖1项、2等奖3项、3等奖2项。主要从事微尺度流动与传热分析、结构改进与优化设计、以及试油完井中井筒温度场、压力场分析等。目前，已在国内外杂志和国际会议发表论文20余篇。主持陕西省教育厅项目1项，2万元。主持在研中国石油集团西部钻探工程有限公司试油公司横向课题1项，43 万元。主持完成科技型中小企业技术创新基金1项，50万元。参与国家自然科学基金面上项目1项，参与中石油油田横向课题3项。授权发明专利1项，实用新型专利6项。
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| 目錄：
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第1章涡轮叶片冲击冷却结构的流动与换热特性研究1
1.1研究背景与意义1
1.1.1引言1
1.1.2冲击扰流柱实验研究现状1
1.1.3冲击扰流柱数值模拟研究现状1
1.1.4本章研究内容2
1.1.5本章的主要工作3
1.2数值方法3
1.2.1计算模型3
1.2.2控制方程5
1.2.3湍流模型6
1.2.4壁面函数7
1.2.5模型网格8
1.2.6边界条件10
1.2.7计算方法11
1.2.8说明11
1.3流场特性的数值模拟研究12
1.3.1压力场计算结果与分析12
1.3.2速度场计算结果与分析21
1.3.3温度场和速度矢量场计算结果与分析36
1.3.4温度场和流线场计算结果与分析48
1.3.5说明61
1.4冷却特性的数值模拟研究61
1.4.1相同压比下换热系数云图对比61
1.4.2换热系数随压比变化的XY曲线图95
1.4.3说明98
1.5结论99
第2章涡轮叶片内部扰流柱冷却结构对外部气膜冷却特性的影响研究100
2.1背景100
2.2计算内容和模型101
2.3计算边界条件和网格101
2.4计算结果和分析102
2.4.1吹风比的影响102
2.4.2不同位置的影响117
2.5结论191
第3章涡轮叶片微小尺度冷却结构的相似流动特性研究193
3.1研究背景及意义193
3.2微小通道的概念和微尺度效应194
3.2.1微小通道的概念194
3.2.2微尺度效应195
3.3微小通道在航空发动机中的作用196
3.4微小尺度通道流动的研究现状197
3.5数值模拟理论及方法199
3.5.1数值模拟理论199
3.5.2计算方法202
3.5.3微尺度通道流动特性的计算结果及分析204
3.6结论与展望215
3.6.1研究结论215
3.6.2进一步工作建议215
参考文献216
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| 內容試閱：
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涡轮叶片的冷却分为外部冷却和内部冷却。外部冷却的目的是阻止高温燃气对叶片表面进行烧蚀，如气膜冷却、发散冷却等；内部冷却的目的是通过内部结构的变化、内冷通道表面积的增大，使内流带走较多的热量，降低涡轮叶片的温度，同时促进扰流柱、扰流肋强化换热等。涡轮叶片尾缘区域的扰流柱对内部不仅能强化换热，而且连接着吸力面与压力面，在狭窄的通道内起到支撑作用。冲击 扰流柱因其固有的强化传热和结构特征在涡轮叶片尾缘的冷却结构中起着十分重要的作用。众所周知，射流冲击的强化换热效果很好，但射流冲击的流动阻力和气动损失较大。本书第1章主要对涡轮叶片尾缘区吸力面一侧的换热进行研究，随着燃气轮机透平进口温度的不断提高，涡轮叶片尾缘区的冷却技术已是困扰涡轮设计者和研究者的一大难题，国内外学者已经在这方面做了大量研究，主要采用多排短扰流柱结构来强化换热。针对涡轮叶片尾缘梯形通道内圆形、椭圆形、水滴形和哑铃形扰流柱在叉排排列方式下的流动换热研究结果表明,在进口雷诺数相同的情况下，水滴形扰流柱的通道压力损失小，圆形扰流柱次之；圆形扰流柱和哑铃形扰流柱的换热效果好，椭圆形扰流柱次之，水滴形扰流柱差;叉排短扰流柱比长扰流柱传递的能量少。因此，应选取换热效果好的圆形扰流柱进行涡轮叶片尾缘内部流动与换热的研究。在此基础上，展开涡轮叶片尾缘冲击 扰流柱复合冷却结构的热分析与流场分析，获得涡轮叶片尾缘冲击扰流结构的相关数据，揭示其换热流动机理，从而为高温涡轮叶片冷却能力的提升设计提供参考依据。
在现代航空发动机中，气膜冷却技术作为高性能航空发动机高温部件冷却的关键技术之一，其发展已有数十年，并且随着燃气温度的不断提高，气膜冷却技术也在不断地发展改进，由初的低吹风比的应用发展到高吹风比的应用，气膜孔形由初的圆柱形孔向非圆柱形孔演变，冷气通道由以前的单一几何结构向复杂几何结构发展。流体从气膜孔喷出进行气膜冷却，而当流体流进气膜孔时，内部冷却结构对外部冷却特性影响很大。目前，大多数涡轮叶片均采用内外复合冷却结构，但是对内外流的研究大多都是单独研究，而近年来,随着涡轮叶片冷却要求的提高，单一影响因素的研究已不能满足要求，内外复合冷却结构耦合研究越来越重要。改变通道内部结构（如增加肋、扰流柱等）会增强内部流动换热，从而带走更多的热量，改变内部流动状态，因此，改变气膜孔进口状态，可影响气膜孔孔内流动状态，从而优化外部气膜冷却特性。国内外学者已详细研究了气膜孔在不同夹角下的气膜冷却效率和换热情况；采用交错肋和扰流柱结构，分别与两种纵向隔板组合进行实验，得到综合传热效果优组合；研究了气膜孔在交错通道供气情况下的流动和冷却情况，详细分析了交错横流对气膜流动和冷却效率的影响。R.S.Bunker实验研究了MESHFED型气膜孔与扰流柱组合冷却结构，研究指出此种结构的气膜冷却效率要比扇形孔的高25%，而且气动损失相对较小。上述研究均表明，如果气膜孔和扰流柱复合结构设计得当，在小吹风比下内部冷却结构对外部气膜冷却特性影响较大,可以有效提高气膜冷却效率；在气膜孔进口处合理布置导向肋，局部气膜冷却效率多可提高1倍，平均效率能提高0.5倍，且外部气膜展向覆盖面积增加,改变内部结构的强化换热，从而使冷却气流带走更多的热量。通过以上研究也可以知道，目前大多数研究集中在内部扰流肋，而对内部扰流柱形式的内冷结构的研究较少。基于以上背景，本书第二章针对燃气轮机涡轮叶片冷却结构进行优化，提出内部扰流柱结构，通过数值计算研究内部冷却结构的扰流柱对外部气膜孔的影响机理。根据气膜冷却技术的发展过程，选取了六种不同的气膜孔和扰流柱的位置结构，采用数值模拟技术研究气膜孔内的流动结构及气膜喷出后与主流的相互作用，揭示特殊气膜孔与扰流柱组合结构强化冷却的原因。因此，选择合适的扰流柱与气膜孔排列方式将有利于气膜冷却效率的提高。
近年来，冷却结构尺度的微型化极大地推动了微、纳尺度领域的研究，其中，微电子领域对微尺度流动与换热的研究多，也是提出微尺度流动与换热问题早的领域，但主要集中在微、纳尺度领域内。国内外针对燃气轮机涡轮叶片微尺度冷却结构方面的研究还不是很多，但是微尺度结构又具有很高的换热速率，因而将微尺度冷却技术融合到燃气轮机研制过程中，可以为突破涡轮叶片冷却能力瓶颈提供有效的技术途径。提高涡轮进口温度既可以增加发动机推力，又可以提高发动机效率。涡轮进口燃气温度逐年提高，对于涡轮叶片的冷却要求也越来越高。微小尺度冷却结构具有很高的换热速率，被越来越多地应用到航空发动机的冷却中。通常,将大于1 mm的尺度称为宏观尺度,将1 m~1 mm的尺度称为微尺度，涡轮叶片等高温部件的气膜冷却、发散冷却等冷却结构的尺寸多为100 m~1 mm。由于尺度变小之后给加工和测量提高了难度，因此，对小尺度结构的相似放大研究就显得极为重要。在研究宏观流动问题时，大多都是在保证几何结构相似与单值性条件相同的情况下，只保证了流动无量纲参数Re相等，其他无量纲参数没有考虑。那么,随着尺度的减小，是否依然继续保证Re相同，而忽略其他无量纲参数，就是本书第三章研究的重点问题之一。已有的研究结果表明,在连续介质流动的条件下，不同的克努森数对流动结果有影响。因此，本书第三章选取孔径d=0.3 mm的孔，在Re和Ma相同与不同时，研究其相似放大100倍后的流动特性，从而为微小尺度结构的流动研究提供理论依据。
本书由西安石油大学郑杰、西安建筑科技大学张雅荣共同编著，其中，张雅荣负责编写第1章涡轮叶片冲击冷却结构的流动与换热特性研究,郑杰负责编写第二章涡轮叶片内部扰流柱冷却结构对外部气膜冷却特性的影响研究与第三章涡轮叶片微小尺度冷却结构的相似流动特性研究。全书由郑杰统稿和定稿。
由于编者水平有限，书中难免存在不足之处，恳请广大读者朋友批评指正。
编者2018年4月
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