航空发动机外涵空气换热器性能研究

【类型】学位论文

【作者】胡训尧 

【关键词】 外涵换热器 管道型面 压力损失 换热特性 热应力分析 数值模拟

【摘要】在高推重比发动机中，热端部件的强化冷却面临十分突出的矛盾：一方面涡轮前温度的提高使得发动机热端部件的冷却需求加重；而另一方面增压比的提高使得冷却空气的冷却品质降低。尽管可以通过提高材料的耐高温性能来缓解上述矛盾，但提高冷却空气的冷却品质仍是一种行之有效的办法。目前采用的外涵空-空换热器是一种较为简单可靠的降低冷却空气温度的办法。本文采用Fluent软件对不同结构空气换热器的流动和换热特性进行数值模拟。在此基础上，利用ANSYS软件对典型结构换热器的热应力进行计算和分析，得出相关的应力分布。 首先，针对几种不同管道型面的换热器进行了研究，其中扁椭圆形管道由于外形具有良好的流线型，因而外涵道压力损失最小。但是在管内，扁椭圆形管内流道狭窄，流动阻力大，因而压力损失系数最大，椭圆形次之，圆形最小，仅为扁椭圆管的75.5%。相对于普通光滑管，槽纹管在增大了管内流体湍流度强化换热的同时带来了较大的管内流动损失，从而造成管内引气量的减少，这使得它的整体换热能力减弱。堵塞比的增加有效地提高了整体换热器的冷却能力，但外涵压力损失急剧上升，管道间距比H/d=5.5时外涵压力损失系数相比H/d=8时增幅达101%。 其次，从强化换热角度对换热器的结构设计进行了分析。光滑管外加上翅片结构有效地扩展了换热器的换热面积，使得换热器的换热能力得到增强。随着翅片排列密度的增加，换热器换热能力逐渐提高，外涵道压力损失也相应增加，但是增幅趋势却在减小。同样条件下开缝翅片比光滑翅片的换热能力高，主要是流体在翅片每个缝处形成了小的涡流。这些涡流有效的增加了翅片周围的扰动，提高了换热器单元的换热效果，但是外涵压力损失也相应增大。在固定缝宽为1mm后，开缝间距比为 2 1/s s =3时换热效果最佳，其翅片周围形成既强烈又连贯的涡流。 最后，论文对换热器的结构应力进行了分析。光滑管结构热应力最大位置出现在管道弯曲处；整体平直翅片结构约束了管道的热膨胀变形，导致整个换热器管道进出口端与相近翅片连接处出现了明显的应力集中，造成了应力破坏；而在此结构上对整体平直翅片分段处理，很好地缓解了强化换热与应力集中之间的矛盾。

【学位名称】硕士

【学位授予单位】南京航空航天大学

【学位授予年度】2016

【导师姓名】谭晓茗

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