利用W型槽提高气膜冷却效率机理

为了探讨圆柱孔出口开有W型槽结构的气膜冷却机理,数值模拟研究了W型槽与横向槽下游流场、温度场及气膜冷却效率。分析了W型槽深度对气膜冷却效率的影响。结果表明:相比于横向槽,W型槽结构展向平均气膜冷却效率提高70%～130%。随着W型槽深度增加,气膜孔出口下游的对漩涡减弱,两侧的附加漩涡增强,最终形成一对反向对漩涡。小吹风比0.5时,三种W型槽深结构的展向平均气膜冷却效率差别小于8%;大吹风比1.5时,槽深0.5D(D为气膜孔孔径)结构展向平均气膜冷却效率高于槽深0.25D结构的展向平均气膜冷却效率75%～150%。槽深0.5D和0.75D结构的展向平均气膜冷却效率基本相同,差别小于3%。     

圆孔-半椭圆槽组合结构气膜冷却机理

为了探讨半椭圆槽改善圆孔射流气膜冷却机理,数值模拟研究了圆孔-半椭圆型槽组合结构下游流场、温度场及气膜冷却效率。分析了不同吹风比下半椭圆槽深度对气膜冷却特性的影响。结果表明:吹风比0.5和1.5时,和锯齿槽相比,半椭圆槽更容易形成反向对漩涡,展向平均气膜冷却效率提高5%~119%。随着半椭圆槽深度的增加,孔间区域的气膜冷却效率提高,展向气膜冷却效率分布更均匀。吹风比0.5时,槽深度对半椭圆槽展向平均气膜冷却效率的影响很小,三种槽深的差距在15%以内。吹风比1.5时,半椭圆槽深度为0.5倍孔径的展向平均气膜冷却效率最佳,分别比槽深度为0.25倍和0.75倍孔径的半椭圆槽高55%~107%和2%~16%。     

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。     

不同横槽结构对气膜冷却效率影响的数值研究

在不同吹风比下,对几种带有横槽的离散孔气膜冷却结构的流动过程和气膜冷却效率进行了数值模拟,分析了在相同槽深的情况下,宽槽、窄槽和斜槽对冷却效率的影响;并将斜槽的模拟结果与异型孔的结果进行了对比.结果表明:在横槽的作用下,由于面积的突扩,使得气膜孔射流向主流的穿透能力有所降低;在横槽下游,二次流能够更好地贴附壁面,气膜冷却效率有一定的提高;在低吹风比下,斜槽冷却效果明显,而在高吹风比下,窄槽冷却效果较明显;斜槽的气膜孔冷却效果优于异型孔;宽槽内出现了横向涡,窄槽内出现了涡锥,斜槽内出现了反向涡对,槽下缘处的固壁对冷却气流的横向扩散有重要作用.      

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%。     

涡轮导叶压力面气膜孔排位置对气膜冷却特性的影响

为了研究气膜孔排位置对气膜冷却特性的影响,在涡轮导叶压力面布置了4排单排扩张型气膜孔(分别用PS1～PS4表示)并在跨声速风洞中进行了实验,通过气膜孔排下游的热电偶获得了气膜冷却效率和换热系数。叶栅进口雷诺数Re为3.0×105～9.0×105,PS1～PS4的吹风比BR为0.5～2.0,叶栅出口马赫数为0.8。实验结果表明:PS1位置的顺压梯度较大导致下游冷却效率随吹风比增大而升高,PS2下游小于30D (D为气膜孔直径)的区域最佳吹风比为BR=1.2,而大于30D的区域BR=2.0时气膜冷却效率最高。吹风比相同时,PS1由于孔的倾角较大导致其冷却效率低于PS2,而具有相同倾角的PS2,PS3,PS4冷却效率逐渐减小。除了PS2在BR=0.5时的工况,其它工况下冷气射流与主流的掺混导致PS1～PS4下游的换热系数比都大于1,PS2和PS3下游的换热系数比随吹风比增大而增大,PS1和PS4下游的换热系数比受吹风比影响较小。综合考虑气膜冷却效率和换热系数,在相同冷气量时PS2的冷却效果是最好的。     

利用横向槽改善气膜冷却效率的实验

为了获得横向槽对气膜冷却效率的影响规律,分别对气膜孔出口全开槽、上游开槽和不开槽三种气膜冷却结构形式的平板实验模型进行了实验研究,获得了带横向槽气膜冷却结构的冷却效率随吹风比的变化规律和开槽形式对冷却效率的影响规律,以揭示横向槽改善气膜冷却效率的机理.研究表明:在横向槽的作用下,冷却射流向主流的垂直扩散受到抑制,二次流在流出横向槽后能更好的贴覆绝热壁面,提高了气膜冷却效率,并且在气膜孔出口处开槽,对提高气膜孔下游的平均冷却效率有较大的作用,上游开槽结构的下游平均冷却效率高于全开槽和不开槽结构的平均冷却效率.      

旋转状态下抑涡孔气膜冷却性能的实验研究

为了获得旋转状态下抑涡孔的冷却性能,用稳态液晶测温的方法,对两种抑涡孔在吸力面和压力面上进行实验研究,分析吹风比和铺孔位置对气膜覆盖范围和气膜冷却效率的影响并与单个圆孔进行对比。实验参数为:转速600r/min,主流雷诺数3370,吹风比M从0.3到2.5。研究表明:两种平行式抑涡孔均具有优异的气膜冷却性能,相比单个圆孔,其气膜覆盖范围和冷却效率在吸力面和压力面均得到大幅提高;铺孔位置会对抑涡孔冷却性能产生重要影响,上游抑涡孔在M1.5时表现最优,中游抑涡孔则具有很好的吹风比适应性,在M=2.5时表现最优;吸力面气膜覆盖范围和冷却效率均低于压力面,并且偏转趋势更明显。     

不同横斜槽结构对气膜冷却效果影响的正交模拟

通过FLUENT软件并采用Realizable k-ε紊流模型对三维定常不可压缩N-S方程进行求解,利用正交模拟的方法模拟了不同的槽宽、吹风比和槽深三个影响因素共同作用下的平板气膜冷却效果,最终选出最优的冷却方案。结果表明:开槽深度为1倍孔径,吹风比为2.0和开槽宽度为2倍孔径的开槽姊妹孔的冷却效果最佳,为最优冷却方案。槽宽对平板冷却效率的影响最大,槽深的影响较小,吹风比的影响最小;开槽深度为0.75倍孔径,吹风比为2.0和开槽宽度为4倍孔径的开槽姊妹孔的冷却效率最低为0.1974,比最优冷却方案低约173%;横斜槽的存在使反向漩涡对的强度受到了抑制,从而加强了冷却效果。     

主流湍流度对涡轮导叶吸力面W型气膜孔冷却效率影响的实验研究

为了获得亚声速涡轮导叶吸力面不同位置处单排W型气膜孔的气膜冷却特性，在短周期跨声速风洞中实验研究了吹风比、主流湍流度对W型气膜孔冷却效率的影响。两列单排气膜孔分别布置在吸力面16%和21%相对弧长处，实验进口雷诺数范围为3.0×10⁵~9.0×10⁵，吹风比范围是0.5~2.0，叶栅出口等熵马赫数为0.8，高低湍流度分别为14.7% 和1.3%。实验结果表明：低湍流度时孔排1和孔排2下游的气膜冷却效率都随吹风比的增大先增大后减小，最佳吹风比分别为BR=1.2和BR=0.8。由于孔排1和孔排2所处位置的主流边界层状态不同，导致湍流度对于气膜冷却效率有不同的影响。对于孔排1，大吹风比时高湍流度使冷气核心向壁面移动，提高了气膜冷却效率；而小吹风比时，湍流度对冷却效率的影响随雷诺数升高而减弱。对于孔排2，大吹风比时高湍流度提高了孔附近区域的冷却效率，同时加快了冷却效率沿流向下降的速度，而在小吹风比时高湍流度显著降低了孔排下游气膜冷却效率。     

涡轮工作叶片型面气膜孔流量系数的实验研究

对涡轮工作叶片表面不同位置气膜孔的流量系数进行了系统的测量,在不同吹风比和雷诺数下测得了流量系数值,并分析了各种因素对流量系数的影响程度。结果表明在不同位置气膜孔流量系数分布规律有较大区别,孔排位置一定时,流量系数主要由吹风比决定。该实验结果对涡轮工作叶片表面气膜冷却的设计研究有重要意义。      

沟槽平板颗粒沉积特性和气膜冷却性能

通过将平板上的气膜冷却孔嵌入横向沟槽中,探究沟槽深度对平板颗粒沉积分布和气膜冷却性能的影响。结果表明:沟槽结构的存在改善了平板表面的颗粒沉积情况和气膜冷却性能,并将一定颗粒阻隔在沟槽内部。在同一吹风比下,沟槽深度的增加使得整体的颗粒碰撞效率增大。在吹风比较小时,3种沟槽深度的结构减小了平板颗粒的沉积和捕获,并改善了冷却孔下游气膜冷却效率。但在大吹风比下,不同沟槽深度改善颗粒沉积分布和气膜冷却效率方面各有差异。对比不同沟槽深度结构在各个工况下的性能,沟槽深度为0.8倍孔径的结构在改善颗粒沉积分布的同时也能兼顾提升气膜冷却孔下游的气膜冷却效率。      

基于真实密度比的单/三排扇形孔气膜冷却性能及流阻特性

在真实密度比条件下对单排和三排的扇形气膜孔的传热和流阻特性进行了实验研究。采用压敏漆（PSP）技术对单/三排定出口宽度的扇形孔进行风洞实验,研究了在真实密度比条件下不同孔形参数的扇形气膜孔的传热和流阻特性的差异,得到了不同孔形参数的扇形孔出现冷气射流吹离热侧壁面的大致临界吹风比以及实现展向平均气膜冷却效率最高的孔型结构参数。实验结果表明:在所研究的孔形参数范围内,扇形孔在吹风比小于1.5时没有出现冷气射流吹离壁面的现象,且倾斜角为20°、扩散角为15°的扇形孔的气膜冷却性能最好;而当吹风比为2.0时则出现了不同程度的吹离热侧壁面的现象,且倾斜角为25°、扩散角为10°的扇形孔的气膜冷却效率最大。此外,倾斜角为25°、扩散角为13°和倾斜角为30°、扩散角为10°的扇形孔流量系数最高。      

双出口气膜孔冷却效率数值模拟

为了优化气膜冷却结构,通过数值模拟研究了一种新型气膜孔(由两个圆柱孔组成的双出口孔)的气膜冷却特性.利用Fluent软件对Navier-Stokes方程进行求解,湍流模型采用两方程Realizablek-ε模型和增强壁面函数处理.圆柱孔射流的冷却效率计算结果和实验数据吻合较好.双出口孔射流冷却效率计算结果表明,双出口孔射流有效地增加了冷气的径向覆盖范围,在吹风比为0.5时,次孔射流起到了减弱主孔出口对旋涡的作用;在吹风比为1.0和2.0时,次孔射流使主孔出口处的对旋涡消失.最高冷却效率对应的吹风比为1.0.双出口孔射流在提高冷却效率的同时,其加工难度较扩张形孔明显降低.      

小孔辅助射流提高冷效的机理分析

本文采用数值计算手段,模拟普通的圆柱形单孔结构和小孔辅助射流结构在不同吹风比下的流动和换热,侧重通过直观演示气膜孔下游反向对旋涡对（肾形涡）的生成、发展以及相互作用过程,揭示小孔辅助射流改善气膜冷却效果的机理。结果表明：与单孔结构相比,小孔辅助射流结构,由于小孔射流的干涉作用,主孔射流形成的肾形涡的尺度和强度均有较大程度的减小,冷气射流与主流的掺混减弱,对冷气的向上抬升作用减小,避免了冷气穿透主流脱离壁面,大大提高冷效。随着吹风比的增加,与圆柱形单孔相比,气膜冷却效果改善更加明显。     

利用三角形突片改善气膜冷却效率的数值研究

运用数值计算方法对带有平行于冷却壁面、且覆盖部分气膜孔面积的三角形突片气膜冷却结构,在不同吹风比下的流动过程和冷却效率进行了数值研究,以揭示突片对改善气膜冷却效率的影响。在突片的作用下,射流向主流的垂直穿透能力有一定程度的降低,在气膜孔下游,二次流能够更好地贴附壁面,气膜冷却效率均有不同程度的改善,而且随着突片堵塞比的提高,冷却效率的提高幅度越大,并且在高吹风比下的影响更为显著。      

多孔纵向波纹表面气膜冷却效率实验研究

实验研究了开孔方式、主流雷诺数及平均吹风比等因素对某种多孔纵向波纹表面沿程气膜冷却效率的影响规律.实验参数变化范围:基于波长的主流雷诺数120 000～250 000,平均吹风比0.2～2.0.研究结果表明:平均吹风比是影响波纹结构沿程气膜冷却效率的主要因素,在较大的吹风比范围内各方案沿程气膜冷却效率呈波纹状变化趋势;从提高气膜冷却效率角度考虑,平均吹风比小于0.6时,波峰及波峰附近开孔方案较优,波谷及波谷下游附近开孔方案较差.      

基于结构参数分析的姊妹孔气膜冷却性能研究

以姊妹孔气膜冷却结构的偏转角度、倾斜角度和吹风比为因素,并以壁面平均气膜冷却效率为评价指标,应用田口方法设计了三因素五水平正交表,并结合数值计算对不同工况下的流场特征和冷却效率分布进行了分析。计算结果表明：高吹风比下姊妹孔冷却效率为常规圆柱孔冷却效率的165%~412.5%,正向10°偏转的姊妹孔冷却效率均大于负向10°偏转的姊妹孔冷却效率。参数化结果表明：吹风比为0.5、偏转角度为10°、倾斜角度为35°的结构表现出最佳冷却效果。     

心形孔气膜冷却特性的数值模拟

为进一步提高航空发动机热端部件的冷却效率,提出了心形气膜冷却孔结构,利用数值模拟分析心形孔的流场特性和冷却特性,并通过与常规圆形孔计算结果的对比,揭示心形气膜孔强化冷却的物理机制.计算结果表明:与圆形孔相比,心形孔能有效抑制反向旋转涡对的生成,冷却气流的贴壁效果得到明显提高,同时心形孔的扩展出口结构使得冷却气流在展向上的分布更为均匀,展向平均气膜冷却效率得到显著提高;在吹风比为0.5~2.0内,心形孔的全局平均冷却效率相对于圆形孔分别提高了70.93%,246.94%,598.9%和879.07%;从热流比分布来看,心形孔在吹风比为1.5下的热流比值最低,表征在吹风比为1.5下心形孔对壁面的保护效果最好.