出流孔型对平板气膜冷却影响机理的研究

为了研究不同孔型对平板气膜冷却的影响,针对圆形,扇形,水滴形,收敛缝形四种气膜出流孔型的流动和传热特性进行了数值模拟。研究结果表明,圆形孔、扇形孔和水滴形孔气膜出口下游出现从中心向上抬升的反向旋转涡对,将主流燃气卷吸进来;收敛缝形孔在侧向的扩张型面使得气膜出流在展向的覆盖更为均匀,这有效地阻止了高温气体的侵入;在相同吹风比下,收敛缝形孔在气膜出口附近区域的平均绝热冷却效率则明显要高于其余三种孔,随着吹风比的增大,这种差距越发明显;孔型对对流换热系数增强比的影响区域仅局限在邻近气膜孔出口大约7倍气膜孔径的范围内。     

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。     

渐扩后倾肩臂孔平板气膜冷却特性数值模拟

为进一步改善气膜冷却效果,提出了渐扩后倾肩臂孔的构型。对圆形孔、扩张孔、原肩臂孔和渐扩后倾肩臂孔的平板气膜冷却特性进行数值计算研究,主要分析了各孔型在吹风比0.5~2.0情况下的展向平均气膜冷却效率。研究表明:采用渐扩后倾肩臂孔的平板模型可提高展向平均气膜冷却效率,在各吹风比方案下气膜冷却性能均优于其它三种孔型,扩张孔方案气膜冷却性能次之,原肩臂孔方案略优于圆形孔方案。对吹风比2.0情况下各孔型方案的流场和被冷却壁面气膜冷却效率分布对比得知,渐扩后倾肩臂孔与扩张孔出流口下游截面中心处的流场及温度场相似,但渐扩后倾肩臂孔两侧的出流小孔对中心的肾形涡有一定的抑制作用,从而使渐扩后倾肩臂孔中心线附近的绝热气膜冷却效率也比渐扩孔还要高。圆形孔数值计算结果与试验数据对比的一致性验证了计算模型的可靠性。     

带抑涡支孔结构新型气膜孔的实验研究

采用稳态液晶测温法对基准孔和3个在计算中有较好冷却效率的带抑涡支孔结构新型气膜孔进行了实验研究。实验结果表明:新型气膜孔的抑涡支孔对主气膜孔起到了保护作用,使新型孔在不同吹风比下的冷却效率要高于普通基准孔,特别是在高吹风比的情况下,这种现象更加明显。在低吹风比情况下,三种不同结构新型孔的冷却效率差别不大;而在高吹风比时,支孔与主孔平行孔型和支孔在主孔下游孔型要高于支孔在主孔上游的孔型,该现象随着吹风比增加会愈加明显。     

收缩型双射流孔气膜冷却特性与损失机理

在兼顾气膜冷却效率的条件下，为了降低气膜冷却带来的气动损失，采用数值模拟的方法研究了双射流孔和收缩型双射流孔的气膜冷却特性。对比分析了不同吹风比（0.5～2.0）工况下气膜冷却效率和损失分布规律。结果表明：当吹风比高于1.0时，收缩型双射流孔促进冷气横向发展，冷却效率提高；当吹风比增加到2.0时，收缩型双射流孔可以防止冷气吹离壁面。与双射流孔相比，收缩型双射流孔入口冷气均匀加速，消除了孔内低速区造成的堵塞，流场趋于均匀，孔内损失明显降低，从而整体上降低了气膜冷却引起的总压损失。     

气膜孔内局部堵塞对气膜冷却特性的影响

在吹风比为0.3~1.5,堵塞比为0.1~0.5范围内,对平板上单排倾斜气膜孔内局部堵塞所引起的冷气射流流动和冷却特性变化进行了数值研究,分析了堵塞比、堵塞位置和吹风比对绝热气膜冷却效率的影响.在研究参数范围内的研究结果表明:气膜孔出口端前缘的局部堵塞有利于抑制肾形涡,对气膜孔下游的绝热气膜冷却效率有改善作用,并且随着堵塞比和吹风比的增加,对冷却效果的改善越为明显.而在气膜孔出口端尾缘或侧边的堵塞则在较大的堵塞比下削弱气膜冷却效果.相对于气膜孔出气端的局部堵塞,在气膜孔进气端和中部的堵塞对绝热气膜冷却效率的影响要微弱得多.     

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.      

垂直横流通道内槽型截面孔气膜冷却特性数值研究

为了揭示燃气透平动叶内部横流通道对不同截面形状气膜孔的影响机理,采用数值方法对比研究了典型扇形孔和槽型截面孔在垂直横流通道内的气膜冷却特性。四种槽型截面孔包括2种梭型扩张孔(上游壁外凸、下游壁外凸)和2种半圆侧壁矩形扩张孔(计量段截面宽度1.7D,2.0D),气膜孔直径D均为3mm。三种垂直横流通道均为8D×4D矩形通道,分为无肋光滑通道、45°和135°带肋通道,肋间距与孔间距均为8D。数值结果表明:在中高吹风比下,四种槽型截面孔的气膜冷却效果均显著优于扇形孔,光滑通道中差距最大,45°肋通道中差距最小,其中大截面宽度矩形扩张孔的气膜冷却效果在三种横流通道中均最高。由于强的横向扩张,下游壁外凸的梭形扩张孔的气膜冷却效果受横流影响弱,在三种横流通道中的变化幅度最小。四种槽形截面孔的展向平均气膜冷却效果在45°和135°带肋通道中变化均不大,即肋角度对槽形截面孔气膜冷却效果影响较小。四种槽型截面孔中高吹风比下的出流系数在无肋通道中均高于扇形孔,在带肋通道中五种孔型的出流系数差别很小。     

气膜孔局部堵塞对叶片压力面冲击-扰流柱-气膜结构综合冷却效率的影响

运用数值模拟方法研究了气膜孔局部堵塞对叶片压力面上射流冲击-扰流柱-气膜结构综合冷却效率的影响,重点分析了堵塞位置和堵塞比的影响。研究结果表明：无论是气膜孔内无堵塞还是存在局部堵塞情形,随着吹风比增大,综合冷却效率均呈现逐渐增大的趋势;在低的吹风比下,气膜孔出口-尾缘局部堵塞的综合冷却效率略低于无堵塞气膜孔,而在气膜孔进口-前缘和气膜孔出口-前缘的局部堵塞则导致综合冷却效率有较为轻微的上升;在高吹风比下,位于气膜孔出口-前缘和气膜孔进口-前缘的局部堵塞能够抑制气膜射流与主流相互作用所形成的卵形涡,从而冷却效率下降较少,而气膜孔出口-尾缘的局部堵塞则导致综合冷却效率降低较多;堵塞比对壁面沿程综合冷却效率的影响呈现非单调的变化趋势,这是由于冲击-扰流柱-气膜整体式冷却结构的冷却效果取决于内部强化传热和外部气膜防护的多重作用机制。     

内通道交错横流对气膜冷却效率的影响

采用数值模拟研究了内通道横流对气膜流动和冷却特性的影响,参数变化范围:横流比Cr=0.39,0.78;吹风比Br=1,2;气膜孔长径比l/d=4,8.计算结果表明:①内通道冷气横流使得气膜孔内气流产生较强的涡旋,使得冷气射流的流动具有明显的非对称特征,引起表面气膜冷却效率分布不均;②横流比对表面气膜冷却效率分布影响较大,横流比越大,气膜孔内涡旋越强烈,气膜冷却效率分布越不均匀;③长径比较大时,气膜孔内气流较为规整,气膜覆盖区域较为狭小,气膜冷却效率分布更加不均;吹风比较大时,射流在主流通道上的附着较差,气膜冷却效率较低.      

带肋横流通道中气膜孔位置对气膜冷却特性的影响

采用数值模拟方法研究了横流通道中气膜孔与肋的相对位置对气膜冷却传热系数和冷却效率的影响.分析了吹风比为0.5,1,2,横流比为0.39,0.585,0.78时孔靠近上游肋、下游肋以及在两肋中间时对冷却效果的影响,研究结果表明:孔位于两肋中间时,气体进入孔时受的冲击较大,外表面传热系数和冷却效率较高;孔靠近上游肋时,气体孔内流动更加均匀,外表面传热系数和冷却效率均较低.      

气膜孔形状对排孔下游换热的影响

实验研究了气膜孔几何形状、二次流雷诺数及吹风比对孔排下游的局部换热系数的影响。所用孔形是簸箕形孔、圆锥形孔及圆柱形孔;实验的参数范围为二次流孔径雷诺数Re=10000～25000,二次流吹风比M=0.3～2.0,在上述范围选取了26个工况分别对3种孔形进行了实验。      

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。      

基于瞬态液晶全表面测量技术的圆柱形孔气膜冷却特性研究

采用瞬态液晶测量技术测量了圆柱形孔的冷却特性分布,研究了动量比的影响.结果表明:大动量比下,射流脱离壁面后重新贴回壁面,冷却效率沿流向率逐渐升高,且下游孔间区域的冷却效率较高;小动量比的冷却效率分布规律与此相反.动量比越大,换热增强效果越显著;在上游区域,大动量比射流诱导出的回流涡形成了一个局部强换热区;在下游区域,各个动量比的传热系数比分布比较相似,两孔中间区域的换热强于孔中心线附近区域.      

多斜孔壁冷却方式小孔内对流换热的数值模拟

采用数值计算的方法研究了多斜孔壁冷却方式小孔内对流换热的特性.数值分析采用了只考虑流体区域对流换热和考虑流体与固体间流固耦合传热共两种方法.计算结果表明:流固耦合传热法更能反映小孔内实际的换热特性;小孔进口处的Nu数最大,且随着孔内雷诺数的变化,孔进口区对孔内换热的影响也不同.      

双排簸箕形气膜孔下游换热研究

对双排差排簸箕形气膜孔排下游的换热进行了实验研究,测量了孔排下游的局部换热系数分布,分析了孔排下游换热系数比的分布以及吹风比、气膜孔出流雷诺数和孔排距对平均换热系数比的影响.结果表明:相对单排气膜孔出流的情况,双排气膜孔下游换热有所增强,但分布更均匀;换热系数比随吹风比的增加先减小后增大,在吹风比为1.0时达到最小;双排气膜孔出流对换热的增强效果随孔排距的增加先增大后减小,在孔排距为10D时最大.      

抑涡孔气膜冷却的大涡模拟

采用大涡模拟研究抑涡孔气膜冷却的流动和换热机理.通过与相同工况下圆孔气膜冷却流场的湍流结构进行比较分析,得出辅孔射流与主孔射流之间的干涉作用,并探索大尺度湍流结构影响气膜冷却效率的物理机制.结果表明:①辅孔射流抑制主孔射流形成的反转涡对的尺寸和强度,并为主孔射流的卷吸提供冷气补充;②由于上游辅孔出流冷气的保护作用以及对主孔出口尾缘低压区的冷气补充作用,主孔射流在气膜孔出口处温度没有急剧升高;③由于辅孔射流的干涉作用,主孔射流并未形成完整的发卡涡结构,而是无规律的近壁条带结构,减少了冷气和主流的掺混,并使冷气更好覆盖和冷却壁面.      

冲击加多斜孔双层壁对流与冲击换热优化研究

对冲击加多斜孔双层壁孔内对流和冲击换热这两部分冷却达到最大进行了优化.冲击加多斜孔双层壁结构中单位面积冲击孔数量和多斜孔数量比为1∶3, 多斜孔倾角为30°.本优化属于混合约束优化, 采用序列无约束极小化方法进行优化.通过计算分析, 得出了在冲击加多斜孔双层壁在压力降和单位面积冷却气量一定条件下的优化结果, 存在冲击换热和多斜孔内换热的最佳分配, 该结果对指导冲击加多斜孔双层壁设计有指导意义.      

具有气膜出流孔和针肋的双层壁冷却结构内的冲击传热性能

针对具有气膜出流孔和针肋的双层壁冷却结构内冲击传热性能进行了试验和数值计算研究。试验采用瞬态液晶（TLC）热像技术,研究的靶板包括光滑靶板、针肋靶板以及带气膜出流孔的针肋靶板。冲击间距比为1.5,射流雷诺数范围为15 000~30 000。结果表明,针肋+气膜出流孔结构明显改善了下游区域横流的影响,明显提高了传热性能,靶板表面传热分布也更加均匀。相比于平板,当射流雷诺数为15 000时,针肋靶板和带气膜出流孔的针肋靶板端壁表面平均Nusselt数提升幅度最大,分别为6.3%和25.3%。针对双层壁冷却结构内射流冲击传热还开展了数值计算,通过采用SST （Shear Stress Transport）k-ω湍流模型计算分析获得了该双层壁冷却结构内的流动和传热特征。     

全离散孔气膜冷却实验研究

模拟加力燃烧室工况, 采用两种不同开孔率的离散孔板, 研究了在不同温度、压差等情况下的冷却效率和换热系数, 得到了一些有价值的冷却换热规律及相应的实验公式。