纵向波纹隔热屏气膜冷却特性数值研究

以加力燃烧室纵向波纹隔热屏为研究对象,采用数值方法,对不同吹风比、不同展向间距以及不同流向间距的纵向波纹隔热屏进行计算,获得了纵向波纹隔热屏流场流动特征和气膜冷却效率的变化。结果表明:纵向波纹隔热屏气膜冷却与常规的平板气膜冷却有着本质的区别,表现出气膜射流脱离壁面、较小吹风比下的冷却效率受结构影响大等特征;较低吹风比(M1.3)下气膜冷却效率沿着流向呈现出起伏变化,较高吹风比(M≥1.3)下的气膜冷却效率沿程逐渐增加,最终趋于平缓;对于几何结构,吹风比约为2.5时效率达到最大值;随着展向间距的减小,气膜冷却效率逐渐增加,但增加较为缓慢;气膜冷却效率并不是一直随流向间距的减小而增加,当流向间距从4.2倍孔径减小到3.25倍孔径时,在第二周期波峰区域,冷却效率反而降低,随着流向间距进一步减小,局部冷却效率降低的区域甚至扩大,并占据了波纹隔热屏的第二个波峰。     

纵向波纹隔热屏气膜冷却特性实验

针对加力燃烧室纵向波纹隔热屏气膜冷却效果开展了细致的实验研究,利用红外热像仪测量了隔热屏壁面的温度分布,分析了隔热屏板型、吹风比、开孔率等参数对气膜冷却效率的影响。实验中板型选取了平板和纵向波纹隔热屏,吹风比变化范围是0.5~3.0,开孔率变化范围是1.4%~3.7%。结果表明:相比于平板隔热屏的气膜冷却效率沿程逐渐增加,纵向波纹隔热屏的气膜冷却效率随波纹板的起伏而起伏且大于平板隔热屏;随着吹风比的增加气膜冷却效率逐渐加大,在吹风比为3.0时达到最大值;气膜冷却效率在波峰处低,波谷处高,整体上随波纹板的起伏而波动,吹风比越小,气膜冷却效率随波纹板的起伏变化越明显;高吹风比(吹风比为2.0~3.0)下,气膜冷却效率沿程变化与增幅较为缓慢;整体上,随着开孔率的增加气膜冷却效率逐渐加大,小开孔率(开孔率为1.4%、2.7%)下的气膜冷却效率相差不大,但在次流背风侧,开孔率小的气膜冷却效率要小于开孔率大的气膜冷却效率。      

发散孔结构参数对横向波纹表面气膜绝热冷却效率的影响

针对加力燃烧室特定横向波纹结构的隔热屏发散冷却进行数值模拟,主要研究发散孔孔节距、孔径以及开孔率等3个结构参数对发散冷却效率的影响。结果表明:由于处于波纹波谷的相邻气膜射流更易于形成相干,从而在波谷形成更强的集聚效应,造成波谷附近的绝热壁面温度低于波峰区域;在相同的壁面单位面积冷气用量下,减小孔径、增大开孔率均显著改善气膜冷却效率,尤其是在发散气膜的前排起始段;发散孔流向节距大于展向节距的长菱形排布相对较优,但在小吹风比下发散孔排布节距比对展向平均绝热冷却效率的影响非常微弱。      

冷却孔非均匀排布波纹板隔热屏冷却特性仿真

为了更加合理地分配冷却气体流量，提高纵向波纹板隔热屏结构的气膜冷却效率，提出了非均匀孔排布局波纹板隔热 屏结构，即保持开孔率不变，构建了上游波纹结构气膜孔排布密集、下游波纹结构气膜孔排布稀疏的非均匀结构。在发动机真实 工况下，采用数值仿真的方法研究了非均匀孔排方式对沿程冷却气体流量分配特性和气膜冷却特性的影响规律，揭示了振幅比变 化对波纹板隔热屏冷却效果的影响规律。结果表明：前密后疏型非均匀孔排布局可以改变冷却气体在隔热屏不同位置处的出流 量，从而显著提高隔热屏的气膜冷却效率。在气膜孔孔参数以及开孔率不变时，增大隔热屏上游孔排密度既可以提高隔热屏上游 的冷却效果，又不会明显降低隔热屏下游的冷却效果，使隔热屏整体面平均气膜冷却效率有所提高，相比于均匀孔排结构，前密后 疏孔排布局最高可使隔热屏面平均气膜冷却效率提高12.66%；在相同工况下，当振幅比从0.035增大至0.075时，隔热屏的面平均 气膜冷却效率显著提高，最高可使其面平均气膜冷却效率提高16.32%。     

开孔率对加力燃烧室隔热屏冷却特性的影响

为了分析开孔率对航空发动机加力燃烧室隔热屏流动和冷却特性的影响,建立了双层壁隔热屏结构。在给定冲击距、 发散板与冲击板开孔面积比的条件下,对开孔率为0.6%和0.8%的冲击发散冷却结构进行数值模拟,获得了发动机真实工作状态 下的气动参数、几何参数对流量系数和综合冷却效率的影响规律。结果表明：冲击孔、发散孔流量系数沿主流方向略微增大,随着 开孔率由0.6%增大到0.8%,不同吹风比下冲击孔的流量系数均减小,而气膜孔的流量系数变化不明显,在吹风比由0.2增加到0.8 时,0.6%开孔率结构的综合流量系数增幅明显高于0.8%的;在吹风比为0.2时,0.6%开孔率结构上游区综合冷效优于0.8%开孔率 结构的,而在下游区则正好相反,在吹风比为0.3～0.8时,0.8%开孔率结构各区域的综合冷效均高于0.6%开孔率结构的。     

气膜-发散组合冷却结构换热特性的实验研究

为了研究气膜-发散组合冷却结构的冷却特征,保证相同的开孔率,设计了三种不同发散孔排布形式的组合冷却结构,采用实验的方法对气动参数和几何参数对绝热冷却效率和对流换热系数的影响规律开展了研究。结果表明:绝热冷却效率和对流换热系数沿主流方向先逐渐降低,达到最低点后沿流动方向二者基本保持不变;在研究参数范围内,主流雷诺数和吹风比对绝热冷却效率的影响不大,但对组合冷却结构的对流换热系数影响较大,随着主流雷诺数和吹风比的增加,对流换热系数均呈现逐渐增大的趋势;针对三种发散孔排布形式的绝热冷却效率和对流换热系数,流向间距大的气膜发散冷却结构最高,流向间距居中的气膜发散冷却结构次之,流向间距最小的气膜发散冷却结构最低。     

气膜孔倾角对层板隔热屏冷却性能影响

为了获得气膜孔倾角对层板隔热屏(冲击/发散复合冷却隔热屏)冷却性能的影响规律,基于加力燃烧室真实工况,对0°到90°范围内的十种不同气膜孔倾角的层板隔热屏进行了三维流热耦合数值模拟研究,得到了层板隔热屏冲击壁面Nu数、层板隔热屏气膜冷却表面的冷却效果、层板隔热屏冷流体热负荷及气膜孔流量系数的变化规律。结果表明,气膜孔倾角的变化对冲击壁面Nu数的影响较小;气膜冷却表面的综合冷却效果随气膜孔倾角的增大而减小,15°倾角模型比10°倾角模型的平均综合冷却效果降低2.8%;单位面积冷流体热负荷随气膜孔倾角的增大而增大,最小值比最大值低30.7%;气膜孔倾角对层板隔热屏平均流量系数的影响不大,但上游气膜孔的出流会对下游气膜孔的流量系数产生影响。     

扩展型面排孔气膜冷却的实验

设计了三种型面的气膜孔扩展结构,研究了气膜冷却效率、壁面换热系数及流量系数随吹风比的变化规律.研究结果表明,与典型的圆柱形气膜孔相比,有后向扩展型面的气膜孔具有相对较高的冷却效率和换热系数,流量系数略有降低.扩展型面的流向扩展角对冷却效率和换热系数的影响大于侧向扩展角的影响.侧向扩展角只在特定吹风比下才对提高气膜的侧向覆盖率、进而提高气膜冷却效率起作用,它使得位于二次流出流下游的低压区域范围增大,流量系数减小.      

扩展型面排孔气膜冷却的实验研究

本文设计了三种型面的气膜孔扩展结构，研究了气膜冷却效率、壁面换热系数及流量系数随吹风比的变化规律。研究结果表明，与典型的圆柱形气膜孔相比，有后向扩展型面的气膜孔具有相对较高的冷却效率和换热系数，流量系数略有降低。扩展型面的流向扩展角α对冷却效率和换热系数的影响大于侧向扩展角 的影响。侧向扩展角 只在特定吹风比下才对提高气膜的侧向覆盖率、进而提高气膜冷却效率起作用，它使得位于二次流出流下游的低压区域范围增大，流量系数减小。     

全覆盖气膜孔阵列方式对冷却特性的影响

运用标准k-ε湍流模型对不同吹风比下正菱形、长菱形和超长菱形三种气膜孔阵列方式的多孔全覆盖气膜冷却的气膜出流流场特性、气膜绝热冷却效率和气膜综合冷却效率进行了数值模拟对比研究.结果表明:气膜孔阵列超长菱形排布是较优的排布方案,在该排布方式下,气膜出流向主流的穿透相对较弱,气膜沿展向的覆盖率也较高,因而气膜绝热冷却效率相对最高;气膜孔排布方式对气膜综合冷却效率的影响规律与气膜绝热冷却效率的基本一致,超长菱形排布仍然是较优的排布方案.      

射流角度对姊妹孔气膜冷却效果影响实验研究

为了分析主孔与侧孔射流角度对逆向射流姊妹孔平板模型气膜冷却效率影响,采用压力敏感漆(PSP)技术对单孔顺流与5种姊妹孔在四种吹风比(BR)下的绝热气膜冷却效率进行研究。结果表明姊妹孔在所有吹风比下气膜冷却效果均优于单个圆孔正向射流。低吹风比(BR=0.5)时,姊妹孔气膜冷却效果相近,但顺流姊妹孔气膜冷却效果最佳;中吹风比(BR=1)、高吹风比(BR=1.5,2)下,侧孔顺流的逆向射流姊妹孔气膜冷却效果最佳,相比于单孔射流的面平均气膜冷却效率可提高366%,677%,727%。逆向射流可令姊妹孔获得更高的气膜覆盖率,具有复合角度的侧孔射流可在低、中吹风比下增加逆流姊妹孔的展向气膜覆盖率,但在高吹风比下,对姊妹孔下游流向气膜冷却效果产生较差影响。     

气膜孔与冲击孔面积比和动量比对加力燃烧室双层壁隔热屏综合冷却效率的影响

基于综合冷却效率模化理论和匹配原则,采用红外测温技术测量了加力燃烧室双层壁隔热屏的综合冷却效率分布,分析了气膜孔与冲击孔面积比( 1、2、3、4)和动量比(I=0.02-0.88)等参数对加力燃烧室双层壁隔热屏冷却特性的影响规律。研究结果表明：综合冷却效率分布由冲击冷却、气膜冷却及冲击孔和气膜孔的相对位置决定。高冷效区域集中在冲击驻点附近和气膜覆盖的区域。沿着主流的流动方向,气膜板下游的综合冷却效率高于上游的综合冷却效率。随着动量比的增大,综合冷却效率增大。随着气膜孔与冲击孔面积比的增大,气膜板上游的综合冷却效率主要是由于冲击换热的增强而增大,气膜板中下游的综合冷却效率是由于冲击换热和气膜冷却效果的增强而增大。气膜孔与冲击孔面积比由1增大到3,面平均综合冷却效率提高72%,气膜孔与冲击孔面积比由3增大到4时,面平均综合冷却效率提高了12%。     

孔间距对锯齿槽改善气膜冷却特性影响

为了探索锯齿槽比横向槽气膜冷却更有效的机理,数值模拟研究了不同气膜孔间距下锯齿槽和横向槽下游流场、温度场及气膜冷却效率分布。吹风比为0.5和1.5,孔间距与气膜孔直径的比分别为2、3、4。结果表明:横向槽气膜冷却效率计算结果和实验数据吻合较好。相比于横向槽,锯齿槽展向导流能力增强。随着孔间距增加,孔中心线处漩涡对减弱,孔间区域更容易形成附加漩涡对,锯齿槽比横向槽气膜冷却效率提高更明显。孔间距p/D分别为2、3、4,吹风比0.5时,锯齿槽比横向槽面平均气膜冷却效率分别提高27%、35%和42%;吹风比1.5时,锯齿槽比横向槽面平均气膜冷却效率分别提高27%、95%和151%。     

带起始气膜的大弯管发散冷却特性的数值研究

针对带起始气膜的大弯管发散冷却特性开展了三维数值模拟,对有无起始气膜的大弯管发散冷却结构进行了对比分析,并开展了主流速度、开孔率等参数对带起始气膜的大弯管发散冷却特性的影响研究。结果表明：带起始气膜的大弯管发散冷却结构能有效地改善无起始气膜的大弯管发散冷却结构前端冷效低的缺点,显著提高了大弯管整体的温度分布均匀性,平均综合冷却效率可提升10.8%-15.4%;主流速度的增大会增强主流与大弯管壁面的对流换热,引起壁面温度升高;开孔率的增加使得大弯管整体的冷却效率呈上升趋势,单位面积冷气流量的增加减小了开孔率带来的差异。     

基于多参数的层板综合冷却效率实验研究及试验验证

采用正交实验设计方法，研究了冲击孔直径、扰流柱直径、气膜孔直径、冲击高度、轴向间距、展向间距和吹风比对层板综合冷却效率的耦合影响。研究结果表明：气膜孔直径、展向间距和轴向间距是综合冷却效率的主要结构影响因素，综合冷却效率随气膜孔直径增大而增大，随展向间距和轴向间距增大而减小，相同开孔率时减小展向间距比减小轴向间距更有利于提高综合冷却效率；随着吹风比增大，综合冷却效率先快速后缓慢增大；根据实验结果拟合了层板综合冷却效率模型，拟合误差在±5%以内，经主燃烧室全环试验件高温高压试验验证，该模型预测的综合冷却效率最大误差为5.86%。     

污染物沉积和热障涂层脱落对气膜冷却效率影响的数值研究

污染物沉积到有热障涂层的涡轮叶片上之后,会导致叶片表面状况的改变,进而影响气膜冷却效率。为分析影响规律,利用三维数值计算研究了3种典型情况下的气膜冷却特性:污染物沉积、热障涂层脱落及气膜孔堵塞,并得到了吹风比的影响规律。研究结果表明,平板气膜冷却吹风比为0.5时,冷却效果最佳;在发生沉积和堵塞后,气膜孔附近产生的反旋涡对会削弱沉积和堵塞后的气膜冷却效率,沉积高度增加会强化这种削弱效果;由于在沉积情况下高吹风比会诱导出正向旋涡使得气膜贴近壁面,因此随着吹风比增大,气膜冷却效果增强;因涂层脱落而在孔下游产生的裂纹在低吹风比时会降低冷却效率,高吹风比时改进冷却效果,使得最佳吹风比由0.5上升到0.7左右;气膜孔堵塞会降低冷却效率,使得气膜更易脱离壁面。      

多斜孔气膜冷却壁表面换热系数实验研究

采用恒热流法,对４种不同结构实验板的多斜孔气膜冷却壁表面换热系数进行了实验研究,研究的主阿影响因素有：吹风比、孔排列方式、孔间距和孔排距等,实验主流雷诺数约为１７０００,吹风比Ｍ＝１￣４。实验结果表明：引入气膜冷却使表面换热系数明显增强;单一实验板换热随吹风比增大而增强;在相同单位面积开孔率情况下,列间距的影响大于排间距,即列间距越小换热越强。     

离散孔切向进气气膜冷却效率的实验

采用红外热像仪对具有不同孔径和排列方式的离散孔切向进气的气膜冷却结构的绝热壁温进行了测试,获得了气膜冷却效率随吹风比和无量纲流向距离变化的经验关联式。研究结果表明,在本文研究的参数范围内,离散孔切向进气气膜冷却的冷却效率随吹风比和气膜孔直径的增大而上升;在气膜孔板开孔率和吹风比相同时,由排型引起的冷却效率差异不是很大。      

抑涡孔结构对气膜冷却效率的影响

对不同孔间距模型的气膜冷却现象的流动和换热进行了数值计算,得到了不同吹风比下,展向和流向孔间距对气膜冷却效率的影响规律.研究结果表明,在主流雷诺数为4 797,吹风比为0.2～2.0的条件下:①展向方向上,S₁/D=1为最佳布局;②流向方向上,相对于主孔靠后的辅助孔冷却效果较好;③流向方向上,辅助孔在主孔下游的模型受吹风比影响小,并且流向距离的改变,对涡量的量级不发生改变,对涡量的大小和方向影响较大.      

气膜冷却孔几何结构对流量系数的影响

为了研究火焰筒壁面气膜冷却孔几何结构对流量系数的影响规律，设计了几种具有不同几何尺寸和排列结陶的气膜冷却孔实验件。对气膜冷却孔的流量系数进行了实验研究。实验结果表明．在吹风比较小时．随吹风比的增加流量系数大幅度增加．当吹风比较大时，随吹风比的增加流量系数增幅减小。同时．在气膜孔厚径比大于1时，气膜孔的排列形式对流量系数的影响不大，当厚径比小于1时．叉排气膜孔的流量系数要高于顺排气膜孔的流量系数。