倾斜30°锥形喷孔气膜冷却的流动和传热实验研究

对流向倾角为３０°、锥顶角分别为１５°和３０°的锥形气膜冷却喷口射流下游的流动和传热进行了详细的实验研究，并与相同实验条件下圆孔的射流情形进行了比较，发现锥形喷口下游的速度边界层的等值线具有三种基本分布形态。随着锥形出口面积的增大，射流的穿透能力明显减弱，核心区域速度明显降低，侧向扩展范围明显增加，纵向耦合涡迅速减弱并消失，从而显著地提高了气膜冷却效率，尤其是提高了喷孔两侧流向下游位置上的冷却效率。同时，大锥顶角的高吹风比下，射流具有十分良好的贴壁效应和非常可观的冷却效率。     

单孔复合角气膜冷却的流动与传热的实验研究

在吹风比Ｍ＝１．０和２．０的工况下，分别用五孔针和热电偶测量了流向倾角α为３０°和６０°、侧向倾角β为３０°和４５°以及喷孔出口扇形角γ为０°和３０°的复合角气膜冷却的流场和温度场，首次在实验中发现复合角射流下游存在一强一弱反向旋转的纵向耦合涡结构，其流向速度Ｕ／Ｕ∞和无因次温度θ的等值线均呈不对称腰子形。α、β、γ以及Ｍ的变化均将对流场和温度场产生影响。扇形孔射流具有较宽的气膜覆盖区域，能够有效地降低旋涡强度，具有比圆孔高得多的冷却效率。     

扇形和圆形气膜冷却孔的流动和传热实验比较

首次对流向倾角α为60°、锥顶角γ分别为15°和30°的扇形气膜冷却喷孔射流下游的流动和传热进行了详细的实验研究,并与相同实验条件下圆孔射流的情形进行了比较,结果发现了扇形孔优越的气膜冷却性能和其下游速度边界层等值线的3种基本形态。      

基于PSP实验技术的双射流气膜冷却 特性研究

基于压力敏感漆(PSP)实验技术研究了具有双射流、圆孔和扇形孔的气膜冷却系统在主流湍流度为6%,吹风比分别为0.5,0.8,1.0,1.2和1.5时的冷却特性.圆孔平均气膜冷却效率在吹风比为0.8到1.5范围内逐渐降低;而双射流和扇形孔在整个实验范围内随吹风比的增大而升高,这表明双射流很好地抑制了射流与壁面的吹离.在同等条件下,双射流气膜冷却效率优于圆孔,而低于扇形孔.实验条件下的数值模拟结果清楚地表明了圆孔、双射流和扇形孔分别形成的肾形涡系、反肾形涡系和弱肾形涡系是形成各自气膜冷却特性的主要因素.      

收缩-扩张形气膜孔提高气膜冷却效率的机理研究

为了揭示收缩-扩张形孔提高气膜冷却效率的机理,选择了两种典型的气膜孔:圆柱形孔和扇形孔,进行了数值模拟对比研究.湍流模型选取Realizable k-ε模型,壁面函数采用增强壁面函数.结果表明:圆柱形孔射流法向动量很大很集中,生成了较强的耦合涡,冷却效率最低;扇形孔减弱了射流的法向动量,并产生了一定的展向速度,冷却效率得以提高;收缩-扩张形孔减小了射流的流向厚度,增大了射流的展向宽度,且产生了更大的展向速度,扩大了射流的覆盖区域,形成了与圆形孔及扇形孔射流相比作用相反的耦合涡,使气膜更好地贴附于壁面,气膜冷却效率高于其它两种孔形的效率;相对于圆柱形孔和扇形孔,收缩-扩张形孔的平均气膜冷却效率,在吹风比为0.5时,分别提高了约110%和15%,在吹风比为2时,分别提高了约560%和60%.      

利用小孔射流改善气膜冷却效率的数值研究

为了获得气膜孔下游放置一对射流小孔对气膜冷却效率的影响规律,采用数值模拟方法研究了不同吹风比下射流小孔出口位置尺寸不同时流动过程和冷却效率的分布情况,并与常规气膜孔冷却结构形式进行对比,以揭示小孔射流改善气膜冷却效率的作用机理.研究表明:在常规气膜孔下游开两个射流小孔后,两射流小孔分别产生一个较弱的与气膜孔反向涡对方向相反的反向涡对,反向涡对的相互作用减弱了气膜孔反向涡对的强度,使气膜的贴壁效果更好,提高了气膜孔的冷却效率.在各吹风比条件下,气膜孔下游有射流小孔时,冷却效率都有一定的提高,并且射流小孔间距较大时对两气膜孔中心线之间的横向平均冷却效率改善较大,吹风比较大时,效果更明显.      

涡轮转子叶片异型气膜孔冷却数值研究

采用数值模拟的方法,研究了发动机工作条件下涡轮转子叶片压力面异型气膜孔的冷却特性,分析了吹风比和旋转雷诺数对气膜冷却的影响.结果表明:旋转条件下,气膜射流受离心力和哥氏力作用朝叶尖方向发生偏转,射流涡结构发生改变;随着旋转雷诺数增大,气膜射流向叶尖的偏转量逐渐增加,展向冷却均匀性提高,展向平均冷却效率略有提升;同一转速下扇形孔和收敛缝型孔能有效抑制气膜分离,展向平均冷却效率沿下游单调变化,随吹风比增加而升高,吹风比越小气膜射流向叶尖偏转越明显;旋转条件下,扇形孔与收敛缝型孔射流较圆孔射流仍有明显的冷却优势.      

浅槽孔气膜冷却的大涡模拟研究

为了探究浅槽孔气膜冷却的强化冷却机理,针对平板浅槽型气膜孔冷却射流与主流相干作用进行大涡模拟研究,并与圆孔射流进行对比分析。研究结果表明:浅槽孔内部会形成一对循环涡旋,将冷却气向展向卷吸;浅槽孔下游会同时出现肾形涡对和反肾形涡对,反肾形涡对抑制了气膜冷却射流的抬升,改善了冷气贴壁性;与圆孔相比,浅槽孔气膜冷却射流的流场拟序结构分布更为无序,浅槽前缘未出现马蹄涡旋,射流下游也未形成串列的发卡涡;当吹风比增长到1.5时,浅槽孔在低频区(400Hz处)出现主频,在高频区的振幅则远低于圆孔,表明高吹风比下浅槽孔气膜冷却射流流场中低频小尺度涡旋占主导作用。整体而言,浅槽孔提升了气膜的展向扩展能力,冷却性能远优于传统圆孔。     

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。     

内冷通道横流条件下气膜冷却特性

为了研究内冷通道横流条件下气膜冷却的流动和换热特性,采用窄带瞬态液晶测量技术获得了内冷通道横流条件下吹风比分别为0.5,1,2时气膜孔下游冷却效率和表面传热系数云图,并通过数值模拟得到了气膜孔内及下游区域流场的详细信息.结果表明:内冷通道横流对气膜孔下游冷却效率和表面传热系数分布有重要的影响.横流增强了气膜孔射流的展向分布能力,增强了高吹风比时气膜冷却效果.另外,气膜孔下游涡的分布出现明显的不对称性,涡的结构更加复杂.      

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。     

旋转对涡轮叶片异型孔气膜冷却的影响

为了揭示异型气膜孔在旋转状态下的冷却特性,采用数值模拟的方法分析了吹风比为0.6时旋转对涡轮叶片异型气膜孔流动及冷却的影响,包括三种气膜孔:圆孔、扇形孔及收敛缝型孔。结果表明:旋转时气膜射流受离心力和哥氏力作用朝叶尖方向偏转,射流涡结构被弱化而变得不明显,气膜射流向主流的穿透得到一定程度的削弱;圆孔和扇形孔冷却效率随旋转雷诺数增大而升高,局部最多可分别提高100%和50%左右,收敛缝型孔冷却效率受旋转雷诺数的影响较小;旋转状态下扇形孔冷却效果与收敛缝型孔相当,仍然优于圆孔。     

双排孔顺-逆射流组合方式对气膜冷却的影响

为了挖掘逆向射流气膜冷却潜力,数值模拟研究了顺向射流和逆向射流不同组合方式的双排孔气膜冷却叠加特性。吹风比变化为0.3～1.4。结果表明,展向平均气膜冷却效率数值模拟结果与实验值偏差小于9%。逆向射流在气膜孔出口产生的回流涡强化了气膜展向扩散,吹风比越大,强化效果越明显。吹风比为1.4时,与顺向射流+顺向射流组合结构的叠加区气膜冷却效率相比,上游顺向射流+下游逆向射流组合结构展向平均气膜冷却效率提高17%～233%,面平均气膜冷却效率提高64%;逆向射流+逆向射流组合结构展向平均气膜冷却效率提高0～410%,面平均气膜冷却效率提高62%;上游逆向射流+下游顺向射流组合展向平均气膜冷却效率提高16%～70%,面平均气膜冷却效率提高44%。     

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%。     

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。     

附加分叉射流喷注对气膜孔冷却特性的影响

利用三维数值计算研究具有附加分叉射流喷注的单排气膜孔冷却结构的强化冷却特性,考察了三种形式的分叉孔结构和四个吹风比的影响。研究结果表明,主气膜孔附近射流喷注孔的存在能够诱导一对反涡,削弱缘于主气膜孔下游气膜出流和主流相互作用的肾形涡对,有利于提高气膜冷却效率,同时也增强了对流换热;当分叉射流喷注孔出口与主气膜孔在同一流向位置时,可以获得较高的气膜冷却效率和相对较低的对流换热系数增强比。     

主流压力梯度对气膜冷却效率影响的数值研究

分别对收缩通道、扩张通道和直通道中亚声速主流条件下的气膜冷却进行数值模拟，对比分析了不同主流压力梯度、次流吹风比条件下的主流和次流流场、温度场特征。研究结果表明:引起气膜冷却效率变化和不同发展趋势的因素可归结为主流边界层厚度、主次流自由剪切混合程度、肾形涡的强度和位置等因素。相对于零压力梯度的主流条件，在吹风比较小(M=0.25)的情况下，主流的逆压力梯度一方面增厚边界层、增强了气膜射流对主流的穿透，另一方面减小了肾形涡的强度，综合作用的结果是气膜平均冷却效率提高了4.91%。在吹风比较大(M=2)的情况下，主流的顺压力梯度扼制主流边界层的发展、抑制气膜射流的穿透能力，降低肾形涡涡核的位置，从而提高气膜冷却效率达17.40%。      

射流角与吹风比影响涡发生器强化气膜冷却性能的实验研究

为了研究了射流角度和吹风比等关键参数对涡发生器强化气膜冷却性能的影响规律,采用热电偶测温和粒子成像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)技术,在搭建的气膜冷却实验台上对三种不同射流角度(α=20°,30°,40°)的带涡发生器和不带涡发生器等六种结构在三种不同吹风比(M=0.5,1.0,1.5)下的壁面气膜有效度分布及中截面流场结构进行了研究。结果表明:涡发生器的引入能显著提高气膜冷却性能,面平均气膜有效度最高提升达249%;不带涡发生器结构的气膜冷却性能随吹风比及射流角增大均呈现降低趋势;20°和30°射流角情况,带涡发生器结构的气膜冷却性能随吹风比增大而逐渐增大,而对于40°射流角则反之;M=0.5情况下,带涡发生器结构的气膜冷却性能随射流角增大而略微增大,在M=1.5情况下,规律相反,而在M=1.0情况下,射流角度基本无影响。     

不同等离子体激励强度下气膜冷却特性的大涡模拟研究

为进一步改善燃气轮机叶片气膜冷却效果,采用大涡模拟(LES)方法对不同等离子体激励强度情况下的平板气膜冷却流场进行了数值模拟研究。结果表明:与无等离子体激励时相比,等离子体激励强度逐渐增至10时射流出口最大流向与法向速度分别增大了16%和7%左右,并移向气膜孔的尾缘,而气膜孔前缘附近的法向速度约减小了4%,从而减少了射流迎风面上冷、热气流的掺混;等离子体对气膜孔下游回流区的动量注入效应使得回流区内的流向速度增大,抑制了横流绕流分离旋涡的发展;等离子体气动激励削弱了肾形涡对的强度及其抬升冷却射流的能力,从而提高了气膜冷却效率,中心线气膜冷却效率随激励强度的增大而升高,当激励强度为10时中心线气膜冷却效率最大提高了55%。     

高冷气温度下横向波纹隔热屏气膜冷却特性研究

通过三维数值模拟的方法分别研究了高冷气温度下吹风比、开孔率以及孔排布等气动参数和结构参数对加力燃烧室横向波纹隔热屏气膜冷却效率和流动特性的影响规律。结果表明:吹风比改变时相同流向截面处波峰的温度总是高于波谷的温度,且壁面上温度呈现"锯齿状";随着吹风比的增加,隔热屏壁面冷却效率提高,在吹风比M=2.0时冷却效率达到最大值;当吹风比M≥1.5,气膜冷却效率逐渐递增,最后趋于平缓,且吹风比越大趋于平缓的流向间距越短;单位面积冷却流量相同时,气膜孔开孔率?=3.14%对隔热屏壁面的冷却效率最高,其次开孔率为?=2.18%;当单位面积冷却流量Gf≥3.990kg/(m~2·s)时,开孔率?=1.60%比开孔率?=4.90%时对隔热屏壁面的冷却效率高;相同单位面积冷却流量时,气膜孔流向间距增加,展向孔间距减小,气膜叠加效应积聚在壁面处形成有效的气膜层,使得冷却效率趋于一定值对应的流向间距短,气膜孔排布为展向间距p=4mm,流向间距s=6.25mm较其它气膜孔排布冷却效率要高。