针对改进姊妹孔在吹风比为0.5、1.0、1.5、2.0情况下的温度场、流场以及冷却效率分布作了数值研究,模拟结果与圆柱孔和传统姊妹孔进行了分析比较。结果表明与圆柱孔和传统姊妹孔相比,改进姊妹孔形成了附加漩涡对,与反向漩涡对相互作用,抑制了冷却气流被反向漩涡对的抬升并且增强了冷却气流的扩散,提高了冷却气流的贴壁性,增大了冷却气流的展向扩展范围;与传统姊妹孔相比,在低吹风比条件下,改进姊妹孔提高了气膜冷却效率约(10~20)%,在高吹风比条件下,改进姊妹孔提高了气膜冷却效率约(20~35)%。

针对引入前缘气膜冷却的某高压涡轮转子叶片,运用NUMECA进行建模,对引入气膜冷却后的涡轮叶栅流场进行分析,得到了加入前缘气冷后温度、速度、总压等参数的变化。再改变前缘气膜冷气流量,得到了不同流量工况下涡轮叶栅流场的变化情况。通过计算得到结论,冷气流量增大,气膜与叶片壁面分离位置提前,整体流速更快到达最大值且沿着壁面下降更快。冷气流量减小,冷却效率降低;吹风比越大,不同冷气流下冷却效率的变化更为集中;但随着冷气流的改变,总压恢复系数没有发生本质变化。

在燃气轮机透平叶片冷却设计中,气膜冷却是一种高效的冷却方式,能保护叶片表面不受高温燃气侵蚀。成型孔是目前广泛应用的气膜孔型。为研究孔型结构对冷却效率的影响作用,展开了数值计算。首先通过数值模拟方法研究了平板上4种不同结构的成型孔在吹风比为1.5~2.5工况下的流动换热规律,发现一种收敛缝型孔具有冷气覆盖面广、冷却效率高的特点。将带展向11°扩张角、流向10°扩张角的成型孔与收敛缝型孔布置在叶片上,进一步展开数值计算,发现在前者的气膜孔排布置下,冷却气分布更加均匀,冷气消耗量少,仅为收敛缝型孔的37%,更符合冷却叶片设计原则。

为了揭示“扫掠冲击-气膜”冷却结构的换热机理,采用气热耦合方法和SST k-ω湍流模型,对比分析了吹风比为1,2,3,4和气膜孔角度为30°,45°,55°,65°等条件下,“直接冲击-气膜”组合方式和“扫掠冲击-气膜”组合方式在平板模型上的气动传热特性。结果表明,流体激振器的扫掠频率、冲击靶面上的Nu数随吹风比增大而增大,并且几乎不受气膜孔角度影响。两种组合方式的总压损失系数和综合冷却效率随吹风比增大而增大,并且随气膜孔角度的增大而略微减小。尽管在使用相同冷气流量时“扫掠冲击-气膜”组合方式的冷气进口静压较高,但是其具有冲击靶面上Nu数分布均匀、综合冷却效率更高且分布面积更大的优势。

利用气膜冷却技术可以大幅提高涡轮叶片的承温能力。针对气膜冷却技术,对比国内外已有气膜孔形,详细介绍了热主流与二次流交互作用机理,分析了冷气展向分布如何影响气膜质量,总结了气膜冷却技术对航空发动机性能的影响。从交互流场、气膜孔形、孔附属结构(突片、斜坡)和气膜孔排布方式4个方面展开详细探讨。得到提升气膜冷却效率的4个主要思路(1)降低肾形涡强度;(2)产生反肾涡;(3)使用槽腔结构;(4)改变出口压力分布。通过对孔形及附属结构的论述分析,为未来气膜孔的优化设计提供指导思路。

废气再循环冷却器的冷却效率对降低汽车NOx排放至关重要，管式冷却器中采用螺纹管作为冷却管能有效地提高冷却效率。从EGR冷却器的换热效率以及废气通过冷却器后的压降两方面进行了冷却器中螺纹管的设计因素研究，通过CFD软件模拟分析了各设计元素对废气再循环效率和压降的影响。

根据雾化冷却原理，建立了逆顺流式无填料喷雾冷却塔和逆流式无填料喷雾冷却塔，在介绍了30t／h试验用逆顺流式和逆流式无填料喷雾冷却塔的结构和性能的基础上，通过试验对两种冷却塔的冷却性能进行了研究，试验结果表明：当设计风量相同时，逆流式无填料喷雾冷却塔的实测风量比逆顺流式无填料喷雾冷却塔的实测风量大5．5％；在试验工况基本相同的条件下，逆流式无填料喷雾冷却塔的进出水温差较逆顺流式无填料喷雾冷却塔大0．5℃，逼近度约小0．9℃，冷却效率大20％，且其冷却效率最大值为53．4％。

根据雾化冷却原理，建立了80t／h试验用逆流式无填料喷雾冷却塔，并通过4个工况的试验分析了气水比和截面风速对喷雾冷却塔冷却效率的影响，试验结果表明：冷却效率随气水比、截面风速的增加而增大，当截面风速从1.93m／s增加到3.21m／s时，气水比从1.04增加到1.31，冷却效率随之从39.0％增加到54.5％；当气水比在1.16—1.20之间保持不变或变化较小时，可以通过增大塔内截面风速来提高冷却塔的冷却效率。

为了提高燃气轮机叶片内部对流冷却采用脉动蒸汽流取代稳态蒸汽流作为内冷介质。利用数值计算方法研究脉动蒸汽流在矩形带肋通道中的强化换热能力。通过与稳态蒸汽流的对比分析了非稳态脉动流的脉动频率、脉动幅值和雷诺数对换热效果的影响。计算结果表明脉动流对换热的影响取决于流体压力梯度的大小当脉动的蒸汽处于逆压梯度区间逆压梯度越大瞬态换热更强。而顺压梯度有稳定流体的作用在顺压梯度时间区间有瞬时的换热甚至低于稳态流体冷却的情况出现。

针对某高压燃气涡轮导叶前缘开设三排气膜孔冷气掺混进行了数值模拟．气膜孔流向夹角均为90。，径向射流角分别为30°，45°，60°和90°。采用网格预处理技术划分网格。详细分析了冷却流量占主流1．25％条件下，前缘冷气喷射对导叶型面气动参数和冷却效率的影响，对比研究了不同冷气流量与流动损失、涡轮级效率之间的关联。计算结果表明：冷气径向喷射角减小，冷却孔附近区域的静压、马赫数振动幅度也减弱。冷却流量增加。叶片表面的温度随之降低，但温度降幅逐渐减小。总压损失系数和能量损失系数随着冷气流量的增大而增加。导叶进口流量和涡轮级效率随着冷却流量的增加而减小。