[發(fā)明專利]一種旋轉(zhuǎn)沖擊射流復雜流態(tài)及換熱效果的評價裝置及方法

在審

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• 申請日: 2015-12-16
• 公開（公告）號: CN105588700A
• 公開（公告）日: 2016-05-18
• 發(fā)明（設計）人: 徐亮;高建民;蘭進;李云龍;趙振;席雷
• 申請（專利權(quán)）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01M9/00
• 分類號: G01M9/00;G01N25/20
• 代理公司: 西安智大知識產(chǎn)權(quán)代理事務所 61215
• 代理人: 弋才富

技術領域

本發(fā)明涉及研究旋轉(zhuǎn)沖擊射流的流態(tài)與傳熱現(xiàn)象技術領域，特別 一種涉及旋轉(zhuǎn)沖擊射流復雜流態(tài)及換熱效果的評價裝置及方法，具體 是關于一種旋轉(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 一科學問題展開基礎性的實驗研究，同時可應用于汽輪機葉片沖擊均 勻化冷卻單元結(jié)構(gòu)設計，燃燒器的噴嘴結(jié)構(gòu)設計、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域的實驗研究，以及可以制 作為一種理解旋轉(zhuǎn)射流復雜流態(tài)及傳熱現(xiàn)象的通用教研工具。

背景技術

在現(xiàn)有傳熱的強化技術中，沖擊射流是提高局部傳熱系數(shù)最有效 的方法之一。然而單個光滑圓孔射流的大量實驗表明:沖擊靶面的傳 熱系數(shù)會形成“鐘形”分布，即努塞爾數(shù)在駐點區(qū)附近具有最大值， 之后從駐點區(qū)開始沿徑向呈指數(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，導致壁面形成“冷斑”，這樣會產(chǎn)生很大的熱應力，因 此光滑圓孔陣列沖擊冷卻結(jié)構(gòu)會嚴重削弱葉片的結(jié)構(gòu)強度。

射流沖擊冷卻具有冷卻快，冷效高，流阻小等特點，被廣泛采用， 但采用這種冷卻技術，在實現(xiàn)高效冷卻的同時，如何解決冷卻的不均 勻是實現(xiàn)高溫部件低熱應力、高可靠運行的核心關鍵問題之一。旋轉(zhuǎn) 射流的提出，使沖擊氣流在通過能激發(fā)旋轉(zhuǎn)射流的噴嘴后，噴出氣流 除了軸向速度以外，還會產(chǎn)生切向旋轉(zhuǎn)速度，這樣不僅增強了沖擊空 間氣流的擾動，同時也使沖擊核心區(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)及換熱機理，缺少相關的系統(tǒng)化實驗研究及其 裝置。

旋轉(zhuǎn)沖擊射流相對傳統(tǒng)的圓孔沖擊射流，首先是幾何結(jié)構(gòu)復雜， 涉及到噴嘴的結(jié)構(gòu)形態(tài)(如螺旋升角，螺旋槽個數(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)、流動狀態(tài)、靶面熱流密度等都會對流動及換熱效果產(chǎn)生影 響，要搞清楚這些因素之間的關系，就需要進行基礎性的實驗研究， 目前還沒有一個綜合基礎性的實驗裝置，來開展旋轉(zhuǎn)沖擊射流流態(tài)與 換熱效果的深入研究。

現(xiàn)有的單個圓孔射流實驗裝置存在以下不足：

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

2)現(xiàn)有裝置簡單地采用定性方法分析射流空間的流場，幾乎沒 有定量測定射流空間的流動參數(shù)及其演化過程。

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

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

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

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有沖擊射流實驗裝置測量數(shù)據(jù)量少，準確度偏低的缺 點；同時拓展實現(xiàn)研究復雜的旋轉(zhuǎn)沖擊射流流動及傳熱現(xiàn)象，本發(fā)明 的目的在于提供一種旋轉(zhuǎn)沖擊射流復雜流態(tài)及換熱效果的評價裝置 及方法，具有準確率高的特點。

為了達到上述目的，本發(fā)明的技術方案為：

一種旋轉(zhuǎn)沖擊射流復雜流態(tài)及換熱效果的評價裝置，包括實驗臺 架8，實驗臺架8的四根立柱上均設置有標尺14，實驗臺架8頂部橫 梁處設置有三自由度機械臂17，實驗臺架8上部中間設置有集氣室1， 集氣室1進口處設置有預留煙線與示蹤粒子接口3，集氣室1底部通 過法蘭連接穩(wěn)定直管段4，穩(wěn)定直管段4通過噴嘴卡具5卡裝有旋轉(zhuǎn) 旋轉(zhuǎn)射流噴嘴6；旋轉(zhuǎn)射流噴嘴6下部設置有保溫箱12。

所述的實驗臺架8四周設置有保護檔板18。

所述的集氣室1內(nèi)部設置有穩(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7兩端安裝于實驗臺架8立柱的可升降槽 13上。

所述的穩(wěn)定直管段4通過端面法蘭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接觸面上設置有耐高溫密封圈4-2。