气膜-发散冷却结构冷却效果的实验研究

为了研究气膜-发散组合冷却结构的冷却特征,设计了5种组合冷却结构形式,采用实验的方法对气动参数和几何参数对冷却效率的影响规律开展了研究,结果表明:(1)由于气膜的存在使得发散冷却的起始段冷却效率有很大的提高,极大提高了发散冷却结构的整体冷却效率;(2)随着发散孔纵向间距的增大,发散段整体冷却效率逐渐降低,但对发散冷却起始段的影响不大;(3)发散孔复合角对冷却效率对冷却效率的影响随吹风比的变化而变化,在小吹风比时,45°复合角的冷却效率最高;在吹风比较大时,在发散冷却段的中后部,0°复合角的冷却效率最高。     

单排圆柱孔射流气膜加热与气膜冷却方式的对比

为了揭示气膜加热和气膜冷却两种方式在影响规律机制上的异同,通过数值计算研究了两种方式单排圆柱孔在典型吹风比下(0.5,1.0和1.5)的射流-主流相干特征,并分析了热气流-冷气流温度比变化对气膜绝热加热或冷却效率的影响。研究结果表明:在相同的吹风比下,在气膜加热方式下喷注射流向主流的穿透趋向更为显著,引起喷注射流抬离壁面并在气膜孔出口附近诱导出尺度更大的卵形涡对;当温度比接近于1时,气膜绝热加热效率与气膜绝热冷却效率差异较小,随着温度比偏离1的程度加剧,气膜绝热加热效率与气膜绝热冷却效率差异显著增大。     

有初始横流阵列射流冲击的三维数值计算

对具有初始横流的阵列射流冲击的流场和温度场进行了三维数值计算 ,研究了射流孔与冲击靶面间距、射流冲击孔排列方式和射流与横流质量流量比等因素对换热特性的影响。结果表明 :( 1 )在不同的射流孔与冲击靶面间距下 ,对于给定的射流与横流质量流量比 ,顺排方式的冲击冷却效果要优于叉排方式 ;( 2 )射流孔与冲击靶面间距对阵列射流冲击的流动和换热特性影响是非常复杂的 ;( 3 )随着初始横流与射流质量流量之比增加 ,在相同的射流孔与冲击靶面间距下 ,顺排和叉排方式的冷却效果均呈现单调的下降     

不同叶片尾缘结构冷却效率的试验研究

为了研究不同叶片尾缘结构对冷却效果的影响规律,设计了3种尾缘结构,并搭建了试验台,采用红外热像仪对叶片尾缘的绝热壁温进行测量。研究结果表明:(1)3种尾缘结构的冷却效率沿壁面的分布有很大差异,针对试验件Ⅰ,冷却效率存在最大值,且最大值出现的位置随着吹风比的增加而逐渐远离气膜出口;(2)试验件Ⅱ和Ⅲ的冷却效率沿壁面均呈现逐渐降低的趋势,但降低的规律二者又不相同;(3)在相同壁面位置,试验件Ⅲ的冷却效率最高,试验件Ⅰ的冷却效率最低,因此可以认为,试验件Ⅲ所示的尾缘结构更有利于对叶片尾缘的冷却。     

用于冲击/发散双层壁冷却数值模拟的源项法模型

为了避免冷却孔内的网格划分从而减小计算量，将源项法模型应用到冲击加发散双层壁冷却结构的数值模拟中，并分析了网格设置和负能量源离散方式的影响。结果表明：源项法模型能较准确地预测综合冷效的变化趋势；在本文计算范围内，当发散孔入口/出口处面上平均面网格数超过一定量时，数值模拟结果不再随入口/出口处面上网格密度而变化；发散孔热侧壁面附近第一层网格高度对计算结果影响较大，较合适的高度设置是小于或等于0.05倍发散孔直径；固体内负能量源对应源项应均匀地加载在多个体单元上。     

内冷通道横流对气膜冷却效率的影响

在吹风比(Br)为0.5~2.0、横流比(Cr)为0~3.0范围内,采用数值模拟方法研究了内部冷却通道横流对单排圆柱形气膜孔气膜冷却特性的影响。相比于基准的无横流进气方式,横流进气诱导冷却气流在气膜孔内形成旋流流动,使得气膜射流与主流的相互作用更为复杂。横流比的影响在不同的吹风比下有较大差异:在较小的吹风比下,横流比小于1.0的气膜绝热冷却效率略高于无横向进气的基准情形,而横流比大于2.0的气膜绝热冷却效率相对基准情形有一定幅度的下降;在较高的吹风比下,横流进气带来气膜绝热冷却效率的增强,横流比为2.0的气膜绝热冷却效率相对较高。在大横流比下,随着吹风比的增加,气膜在展向的覆盖范围明显扩大。     

突片形状对气膜冷却效率的影响

气膜冷却广泛应用于航空发动机热端部件的热防护，为了提高气膜冷却效果，设计了3种突片型式，采用实验的方法对其冷却效果进行了对比研究，结果表明：突片的存在强化了气膜冷却效率，使得气膜冷却效率远高于无突片的气膜冷却效率。吹风比对不同突片作用有所不同，存在一最佳吹风比，但该值随着突片的型式变化。突片的堵塞比对气膜冷却效率有很大的影响，3种突片作用下的气膜冷却效率均随堵塞比的增加而增大。梯形突片的冷却效率明显优于三角形突片和椭圆突片。但突片亦增大了气膜孔的流动阻力，降低了流量系数。     

航空发动机涡轮叶片冷却气膜孔加工去除重熔层技术

为提高叶片工作时的冷却效果,叶片的气膜孔设计的越来越复杂,涡轮叶片的冷却气膜孔加工作为一项重要的技术至为关键。现有的条件下对气膜孔的加工进一步研究,基于挤压磨粒流加工理论,采用挤压磨粒流加工工艺试验方法,对叶片冷却气膜孔做控制磨粒流孔径增加量从而去除重熔层的实验。当磨粒流孔径伽．3增加量为0．04时,孔径蜘．5增加量为0．02时,就可消除重熔层的结果,说明了通过磨粒流去除重熔层和微裂纹具有非常满意的去除效果。     

超音速射流气膜冷却效果的试验研究

以二维平板模型高速导弹头罩上的探测窗口,用电加温产生的热气流模拟导弹飞行时的气动加热,对采用气膜邓控制导弹探测窗口温度的效果及规律进行了研究。着重探讨了气膜冷却临界长度ＬＣ与气膜冷却有效度η随射流缝高Ｓ,喷射率λ及主射流夹角α等参数的变化规律,并总结出一个相关参数及一些经验公式。研究结果与国外有关文献基本一致。     

薄膜冷却射流的水模拟显示

本文通过水模拟实验,对涡轮叶片气膜冷却时射流的流场进行了研究。实验是在不同的攻角和不同的密流比下进行的。实验结果表明,当攻角一定时,密流比增加到某一数值后,薄膜不再是稳定的而是变成一群“旋涡串”。这种“旋涡串”的出现将大大削弱薄膜冷却的保护作用,故在设计时应竭力避免。本文还对“旋涡串”的出现机理作了初步分析,并根据实验结果提出了相应的经验公式。     

回流燃烧室弯曲段冲击扰流柱+逆向对流+气膜冷却效率

为从理论上分析研究回流燃烧室弯曲段冲击扰流柱+逆向对流+气膜冷却结构的传热特性,设计了多种不同几何尺寸的计算模型,运用Fluent软件从流动与换热两个方面对其进行了系统的研究,得出了如下结论:(1)扰流柱的存在强化了冷却空气在冲击腔中的扰动,使得冷却空气与冷侧壁面的换热得到大大地加强,提高了复合冷却结构的冷却效率;(2)在本文研究的几何尺度下,附着于弯曲段热侧壁面的气膜层有效长度最大弧度不超过10°;(3)吹风比对复合冷却效率有很大的影响,在冷却壁面冷却效率随吹风比的增加而增加,但当吹风比M＞1.5时,吹风比对冷却效率的影响已不明显;(4)扰流柱的排列形式对冷却效果的影响不大.     

双层涡轮叶片异形冷却单元内换热特性实验研究

基于实际加工成型的双层涡轮导向器叶片内部特征，模化出操场形和椭圆形截面冷却结构。针对其内部应用的冲击/气膜复合冷却形式，实验研究了冲击靶面的换热特性，重点分析了通道截面形状不同时，进口Re数、气膜出流以及冲击孔和气膜孔的相对位置对冲击靶面换热特性的影响。研究中发现通道内部局部Nu数呈中心对称的波浪形分布，并且气膜孔壁面上游的换热效果整体低于下游，只有在靠近气膜孔中心局部区域的换热系数较高。随着进气Re数增加，换热效果逐步增强 。实验数据表明，截面形状不同的冷却通道的换热特性规律不同。对于操场跑道形冷却通道，冲击孔和气膜孔顺排时冷却效果较好；而椭圆形冷却通道中，冲击孔和气膜孔错排时冷却效果较好。     

出口马赫数0.81~1.01下涡轮导向叶片全气膜冷却特性研究

通过瞬态热电偶测量方法研究了涡轮导叶叶片全气膜换热系数和气膜冷却效率。试验叶片共有13排气膜孔,气膜孔排由前后2个腔供气,前腔二次流与主流流量比为5.06%,后腔为1.14%。为匹配真实发动机工作条件,叶栅进口雷诺数试验范围为1.7×105~5.7×105,出口马赫数范围为0.81~1.01。试验获取了叶片表面压力系数和换热系数分布规律,并研究了叶栅进口雷诺数和出口马赫数对叶片全气膜冷效分布的影响。结果表明:气膜孔下游的换热系数和气膜冷效较高;主流雷诺数的增加对冷却效率的提升有积极作用,特别是在叶片吸力面,而马赫数对叶片表面气膜冷效影响甚微。     

浮动壁火焰筒壁温试验和计算分析

对某浮动壁火焰筒的壁温进行了试验和计算分析。该火焰筒应用了新型的浮动壁结构和高效的冲击/发散复合冷却技术。壁温分布试验在全环形燃烧室试验台上进行,采用热电偶和示温漆测量。计算采用了稳态导热问题的有限元求解方法。研究分析表明,火焰筒壁温在材料的长期许用温度范围内,壁温计算反映了火焰筒壁温的分布规律和趋势。冲击/发散复合冷却方式的轴向壁温梯度小于缝槽气膜冷却方式,对降低热应力水平,延长火焰筒使用寿命有利。     

等离子体激励器对气膜冷却效率的影响

建立了介质阻挡放电等离子体激励模型,模拟了在等离子体激励作用下的平板气膜冷却过程,研究了不同吹风比条件下等离子体激励器的激励和结构参数对气膜冷却效率的影响。结果表明:激励电压越高、电极弧度越大、电极厚度越薄、绝缘材料介电常数越大及绝缘材料厚度越薄,等离子体激励的诱导能力越强,能够改善气膜的贴壁特性,提高冷却效率;激励器激励频率对冷却效率的影响很小。激励器参数的改变不影响冷却效率随吹风比的变化特征。     

涡轮叶片内"冲击-气膜出流"局部换热特性数值模拟

用RSM模型对有、无冲击气膜出流冷气侧气膜孔局部换热特性进行了数值研究。取气膜孔前后3倍气膜孔径范围为研究对象。在无冲击射流时,通过改变来流雷诺数、气膜出流与横流密流比,对气膜孔的“溢流效应”进行了研究。研究发现,气膜孔局部的换热均随两者的增加而增强。将实验结果和计算结果进行了比较,趋势吻合。在有冲击射流时,着重研究了流动和几何参数对气膜孔局部换热特性的影响,分析了“冲击-气膜出流”局部换热特性规律。     

高阻塞比肋化通道对流换热特性实验研究

为了降低涡轮叶片温度以保证其安全性,采用实验方法对高阻塞比肋化通道内流动换热特性进行了测量。针对顺排和叉排两种肋化通道考察了多个主要影响因素对换热特性的影响规律,研究表明:(1)对于高阻塞比肋化通道,当流体在层流区域流动时,肋片对流体在通道内部对流换热的强化作用要明显高于湍流状态;(2)无论是顺排还是叉排肋化通道,当肋间距比为10时,其对应着最大的对流换热系数和最大的流阻损失;(3)在实验几何参数范围内,顺排肋化通道的对流换热系数和流阻系数均高于叉排通道;(4)在高阻塞比肋化通道中,流阻特性的变化规律和流动状态的转变规律基本与水力光滑通道相同。     

带气膜冷却结构的高超声速平板不同前缘形状下表面传热特性研究

当带红外成像制导系统的飞行器在稠密大气层内做高超声速飞行时,必须采取主动冷却方式防止严重气动加热造成的窗口材料热畸变以及复杂流场造成的气动光学畸变。本文根据成像窗口周围流动具有受高超声速钝头体绕流和气膜冷却结构(即背面为空腔的超声速后台阶)共同作用的特点,在 KD-01高超声速炮风洞中开展了带气膜冷却结构的高超声速平板在不同前缘形状下表面传热特性的试验研究,测量了 Ma8来流条件下喷缝下游表面传热系数,试验获得了2种前缘形状的带气膜冷却结构的高超声速平板喷缝周围瞬态流场 NPLS 图像。通过分析试验数据,得出以下结论:对于带气膜冷却结构(气膜不工作状态)的高超声速平板,模型前缘的形状对喷缝下游区域的表面热流整体分布有明显影响,在钝前缘情形下,表面热流分布接近相同前缘形状的平板边界层为层流状态时的表面热流分布;在尖前缘情形下,表面热流分布则表现出从层流边界层状态向充分发展湍流边界层状态变化的特性;喷缝下游分离和再附区表面传热特性和超声速后台阶流动类似,取决于喷缝上缘处边界层相对厚度。     

平行进气孔气膜冷却对流换热系数的实验研究(英文)

设计了单排,双排和三排分布形式和不同孔径的离散气膜孔结构,采用实验的方法分别对其对流换热特性进行了研究。研究结果表明,对流换热系数随着吹风比的增大而增大。在小吹风比时,沿冷却壁面的对流换热系数变化分为3个区段,在较大的吹风比或者孔径较大时,离散孔气膜冷却对流换热系数的分布规律与气流横掠平壁的对流换热规律基本相似。此外,在气膜孔当量直径一定的情况下,气膜孔的排列形式和吹风比均对对流换热系数有显著的影响。     

Experimental Investigation on Convective Heat Transfer Characteristics in Ribbed Channel

The heat transfer and pressure loss characteristics on a square channel with two opposite surfaces roughened by high blockage ratio ribs are measured by systematic experiments.Reynolds numbers studied in the channel range from 1 400 to 8 000.The ratios of rib height to hydraulic diameter (e/D) are 0.2and 0.33,respectively.The ratio of rib spacing to height (P/e) ranges from 5to 15.The rib orientations in the opposite surfaces are symmetrical and staggered arrangements.The results show that the heat transfer coefficients are increased with the increase of rib height and Reynolds number,though at the cost of higher pressure losses.When the rib spacing to height ratio is 10,it keeps the highest heat transfer coefficient in three kinds of rib spacing to height ratios 5,10 and 15.The heat transfer coefficient of symmetrical arrangement ribs is higher than that of the staggered arrangement ribs,but the pressure loss of the symmetrical arrangement ribs is larger than that of the staggered arrangement ribs.