[發(fā)明專(zhuān)利]一種旋轉(zhuǎn)沖擊射流復(fù)雜流態(tài)及換熱效果的評(píng)價(jià)裝置及方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510944752.8
• 申請(qǐng)日: 2015-12-16
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN105588700A
• 公開(kāi)（公告）日: 2016-05-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐亮;高建民;蘭進(jìn);李云龍;趙振;席雷
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01M9/00
• 分類(lèi)號(hào): G01M9/00;G01N25/20
• 代理公司: 西安智大知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 61215
• 代理人: 弋才富

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及研究旋轉(zhuǎn)沖擊射流的流態(tài)與傳熱現(xiàn)象技術(shù)領(lǐng)域，特別 一種涉及旋轉(zhuǎn)沖擊射流復(fù)雜流態(tài)及換熱效果的評(píng)價(jià)裝置及方法，具體 是關(guān)于一種旋轉(zhuǎn)射流未充分發(fā)展和充分發(fā)展射流流態(tài)及傳熱特性這 一科學(xué)問(wèn)題展開(kāi)基礎(chǔ)性的實(shí)驗(yàn)研究，同時(shí)可應(yīng)用于汽輪機(jī)葉片沖擊均 勻化冷卻單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，燃燒器的噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電子元器件均勻高 效冷卻、高溫板材大面積均勻化冷卻等領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)研究，以及可以制 作為一種理解旋轉(zhuǎn)射流復(fù)雜流態(tài)及傳熱現(xiàn)象的通用教研工具。

背景技術(shù)

在現(xiàn)有傳熱的強(qiáng)化技術(shù)中，沖擊射流是提高局部傳熱系數(shù)最有效 的方法之一。然而單個(gè)光滑圓孔射流的大量實(shí)驗(yàn)表明:沖擊靶面的傳 熱系數(shù)會(huì)形成“鐘形”分布，即努塞爾數(shù)在駐點(diǎn)區(qū)附近具有最大值， 之后從駐點(diǎn)區(qū)開(kāi)始沿徑向呈指數(shù)規(guī)律迅速遞減。

以渦輪葉片冷卻為例，通常采用的不同陣列形式的光滑圓孔群沖 擊冷卻渦輪葉片，被冷卻區(qū)域溫度的顯著下降，使得整體表面溫度分 布很不均勻，導(dǎo)致壁面形成“冷斑”，這樣會(huì)產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，因 此光滑圓孔陣列沖擊冷卻結(jié)構(gòu)會(huì)嚴(yán)重削弱葉片的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

射流沖擊冷卻具有冷卻快，冷效高，流阻小等特點(diǎn)，被廣泛采用， 但采用這種冷卻技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)高效冷卻的同時(shí)，如何解決冷卻的不均 勻是實(shí)現(xiàn)高溫部件低熱應(yīng)力、高可靠運(yùn)行的核心關(guān)鍵問(wèn)題之一。旋轉(zhuǎn) 射流的提出，使沖擊氣流在通過(guò)能激發(fā)旋轉(zhuǎn)射流的噴嘴后，噴出氣流 除了軸向速度以外，還會(huì)產(chǎn)生切向旋轉(zhuǎn)速度，這樣不僅增強(qiáng)了沖擊空 間氣流的擾動(dòng)，同時(shí)也使沖擊核心區(qū)向外拓展了沖擊射流有效冷卻面 積，從而有望實(shí)現(xiàn)沖擊靶面的換熱均勻化。然而，目前就旋轉(zhuǎn)射流的 旋轉(zhuǎn)射流沖擊冷卻流態(tài)及換熱機(jī)理，缺少相關(guān)的系統(tǒng)化實(shí)驗(yàn)研究及其 裝置。

旋轉(zhuǎn)沖擊射流相對(duì)傳統(tǒng)的圓孔沖擊射流，首先是幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 涉及到噴嘴的結(jié)構(gòu)形態(tài)(如螺旋升角，螺旋槽個(gè)數(shù)、槽型尺寸、面積 比等)，沖擊孔到靶面距離、靶面形狀、射流空間形態(tài)、冷卻介質(zhì)的 物性參數(shù)、流動(dòng)狀態(tài)、靶面熱流密度等都會(huì)對(duì)流動(dòng)及換熱效果產(chǎn)生影 響，要搞清楚這些因素之間的關(guān)系，就需要進(jìn)行基礎(chǔ)性的實(shí)驗(yàn)研究， 目前還沒(méi)有一個(gè)綜合基礎(chǔ)性的實(shí)驗(yàn)裝置，來(lái)開(kāi)展旋轉(zhuǎn)沖擊射流流態(tài)與 換熱效果的深入研究。

現(xiàn)有的單個(gè)圓孔射流實(shí)驗(yàn)裝置存在以下不足：

1)現(xiàn)有裝置只能測(cè)量噴射氣流量和噴嘴出口的平均速度，不能 測(cè)定噴嘴出口氣流的脈動(dòng)速度、頻率和紊流度。也就是說(shuō)只能分析定 常穩(wěn)定流動(dòng)的噴射氣流，而不能測(cè)定伴有脈動(dòng)頻率或復(fù)雜旋渦狀態(tài)的 噴射氣流。

2)現(xiàn)有裝置簡(jiǎn)單地采用定性方法分析射流空間的流場(chǎng)，幾乎沒(méi) 有定量測(cè)定射流空間的流動(dòng)參數(shù)及其演化過(guò)程。

3)現(xiàn)有裝置沒(méi)有對(duì)射流空間給出明確的界定，通常都是自由射 流空間，即沒(méi)有上檔板限制的射流空間。

4)現(xiàn)有裝置都是簡(jiǎn)單地估算靶面的系統(tǒng)熱損失，這樣勢(shì)必不能 準(zhǔn)確確定靶面的換熱效果。

5)現(xiàn)有裝置噴嘴結(jié)構(gòu)形式單一且相對(duì)固定，不易更換試驗(yàn)噴嘴。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有沖擊射流實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)量數(shù)據(jù)量少，準(zhǔn)確度偏低的缺 點(diǎn)；同時(shí)拓展實(shí)現(xiàn)研究復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)沖擊射流流動(dòng)及傳熱現(xiàn)象，本發(fā)明 的目的在于提供一種旋轉(zhuǎn)沖擊射流復(fù)雜流態(tài)及換熱效果的評(píng)價(jià)裝置 及方法，具有準(zhǔn)確率高的特點(diǎn)。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種旋轉(zhuǎn)沖擊射流復(fù)雜流態(tài)及換熱效果的評(píng)價(jià)裝置，包括實(shí)驗(yàn)臺(tái) 架8，實(shí)驗(yàn)臺(tái)架8的四根立柱上均設(shè)置有標(biāo)尺14，實(shí)驗(yàn)臺(tái)架8頂部橫 梁處設(shè)置有三自由度機(jī)械臂17，實(shí)驗(yàn)臺(tái)架8上部中間設(shè)置有集氣室1， 集氣室1進(jìn)口處設(shè)置有預(yù)留煙線(xiàn)與示蹤粒子接口3，集氣室1底部通 過(guò)法蘭連接穩(wěn)定直管段4，穩(wěn)定直管段4通過(guò)噴嘴卡具5卡裝有旋轉(zhuǎn) 旋轉(zhuǎn)射流噴嘴6；旋轉(zhuǎn)射流噴嘴6下部設(shè)置有保溫箱12。

所述的實(shí)驗(yàn)臺(tái)架8四周設(shè)置有保護(hù)檔板18。

所述的集氣室1內(nèi)部設(shè)置有穩(wěn)流網(wǎng)篩2，穩(wěn)流網(wǎng)篩2由縱橫交叉 的金屬薄片構(gòu)成。

所述的旋轉(zhuǎn)射流噴嘴6，其出口設(shè)置有同一水平高度的可升降透 明檔板7、可升降透明檔板7兩端安裝于實(shí)驗(yàn)臺(tái)架8立柱的可升降槽 13上。

所述的穩(wěn)定直管段4通過(guò)端面法蘭4-1與噴嘴卡具5軸向鎖緊連 接，噴嘴卡具5與旋轉(zhuǎn)射流噴嘴6周向鎖緊連接，旋轉(zhuǎn)射流噴嘴6與 端面法蘭4-1接觸面上設(shè)置有耐高溫密封圈4-2。