轴对称矢量喷管的气膜冷却及红外辐射耦合计算分析

为考察喷管壁面气膜冷却以及红外辐射特性对高性能航空发动机壁温分布的影响,对燃气红外波带的光谱特性采用窄波段模型计算,对壁面-燃气辐射采用封闭腔模型计算,对喷管收敛段的气膜冷却采用绝热温比计算。对于包含喷管壁面、隔热屏、套筒的多层结构传热建立壁温-热流耦合的热平衡方程,用Newt on-Raphson求解得到喷管及内外结构的壁温。对NASA TN D-1988中试验台架发动机喷管扩张段的气膜冷却及壁温进行验证计算,并详细计算了收敛段采用多排缝槽气膜冷却的轴对称矢量喷管。结果表明:气膜冷却有效降低了喷管收敛段的壁温,使得喷管扩张段成为受热严峻的部位;扩张段偏转改变了扩张段壁面温度和红外辐射的圆周分布,沿偏转方向的壁温和红外辐射都明显低于偏转反方向的,2个方向上的平均壁温相差约4.8%,喷管在后半球的辐射沿偏转方向增强。数值模拟结果与试验测量值吻合良好,可用于发动机喷管壁温分布精确计算。     

多种气膜冷却形式下轴对称矢量喷管壁温计算研究

航空发动机矢量喷管的冷却结构设计是研究矢量推进技术应用的关键问题之一。针对某偏转20°轴对称矢量喷管隔热屏采用的十种气膜冷却结构,建立基于壁面传热的热平衡方程,采用牛顿-拉斐尔森迭代法得出十种冷却结构下壁面及隔热屏的温度。其中气膜冷却采用有效温比经验公式计算,燃气辐射采用封闭腔净辐射分析法计算,并把本文计算的壁温与文献结果进行对比分析。结果表明:隔热屏对喷管收敛段有很好的冷却作用,采用气膜冷却可显著降低其温度;相对于受隔热屏保护的收敛段而言,喷管扩张段的受热形势较为严峻,温度更高,其冷却有待加强。     

中心锥冷却对喷管腔体红外辐射的抑制作用数值分析

航空发动机高温部件是发动机3~5μm上的重要红外辐射之一,对高温部件之一的中心锥的红外抑制技术进行了数值研究.在中心锥前端布置气膜缝槽,缝槽几何参数经过优化设计,将部分外涵低温气流经过支板引入中心锥,对支板和锥体壁面形成冲击冷却,在锥体前端形成气膜覆盖,使得支板与中心锥壁面得到了有效冷却,两者平均温度分别降低21.1%和46.2%,冷却气量约为外涵流量的1.6%.喷管腔体3~5μm波段上红外辐射得到有效抑制,喷管正后方红外辐射相比原型喷管降低30%,0°~45°范围内红外辐射则明显降低.      

火焰筒壁气膜冷却效果试验研究

本研究中,对五种气膜冷却结构形式的试验件进行了冷却效果试验。仔细地考察了冷、热气流密流比、气膜无因次长度、气膜通道结构如气膜通道收敛度、气膜孔相对孔间距以及气膜孔轴线与槽缝唇边壁面所成角度等对冷却效果的影响,并在试验数据基础上,给出了有效温比的数学拟合表达式。     

Numerical investigation of of nozzle cavities thermal radiation characteristics with center cone cooled

航空发动机高温部件是发动机3-5μm上的重要红外辐射之一,对高温部件之一的中心锥的红外抑制技术进行了数值研究．在中心锥前端布置气膜缝槽,缝槽几何参数经过优化设计,将部分外涵低温气流经过支板引入中心锥,对支板和锥体壁面形成冲击冷却,在锥体前端形成气膜覆盖,使得支板与中心锥壁面得到了有效冷却,两者平均温度分别降低21．1％和46．2％,冷却气量约为外涵流量的1．6％．喷管腔体3～5Izm波段上红外辐射得到有效抑制,喷管正后方红外辐射相比原型喷管降低30％,0°-45。范围内红外辐射则明显降低．     

截锥不同冷却结构对喷管腔体红外抑制特征影响的数值研究

对发动机喷管高温部件之一的截锥3~5μm波段上红外抑制特征进行了数值研究.在红外辐射信号较强的截锥前端布置气膜缝槽冷却结构和气膜孔冷却结构,将温度较低的外涵气流通过支板引入截锥,有效降低了截锥、支板的壁面温度和红外辐射强度.对两种冷却结构进行比较,结果表明,采用向下气膜缝槽冷却结构能够达到较好的红外抑制效果,但推力损失较大;采用气膜孔冷却结构,喷管红外抑制效果略有减弱,但推力损失较小.     

串联TBCC可调喷管气膜冷却数值模拟

针对在宽飞行马赫数范围内工作的某串联TBCC可调喷管较高的进口总温易引起壁面材料烧蚀的问题,提出一种适用于飞行包线内不同飞行马赫数且对喷管热防护有明显作用的气膜冷却方案,并基于CFD的方法模拟了不同飞行马赫数的冷却效果.研究表明开设二元缝槽将比开设环形缝槽对附近流场状况产生更明显的影响.采用气膜冷却方案后,喷管壁面平均温度较未经气膜冷却时有超过1000K的明显下降.壁面二元缝槽下游中心线上的气膜冷却绝热效率在多数飞行马赫数下可达0.9以上.缝槽下游温度在展向上多呈对称分布,向下游发展时温度均匀性逐渐降低.      

瞬态热冲击缝槽气膜冷却传热实验及仿真研究

为了分析瞬态热冲击过程中气膜冷却传热规律,采用实验研究和CFD仿真分析方法,研究了瞬态热冲击工况下的平板缝槽气膜冷却传热特性。实验中,主流燃气以约60℃/s~100℃/s的增温速率来模拟瞬态热冲击工况,CFD仿真中,采用DES方法模拟瞬态混合层剪切涡结构对气膜冷却传热影响。结果表明:(1)实验结果显示,当吹风比处于临界值以下时,瞬态热冲击过程中,气膜绝热有效温比逐渐下降直至稳态值,对流换热系数存在同样的规律。(2)DES模拟结果显示,混合层摆动位置及剪切涡发展到壁面的位置随着吹风比的增大而向下游移动,使得壁面传热特性主要由剪切涡流决定逐渐转变为由冷却气流决定。(3)DES结果显示由于混合层剪切涡的不稳定性使得气膜绝热有效温比存在较大幅度的波动;相比RANS方法,DES方法预测的平均绝热有效温比与实验结果吻合更好。     

不同缝槽进气孔间距的纯气膜绝热温比试验研究

通过传热试验法对不同缝槽进气孔间距的纯气膜冷却效率进行研究。研究所用气膜缝槽结构无收缩,进气孔与舌片垂直。试验中主流湍流强度在10%以上,测量气膜绝热壁温以确定其重要冷却效率描述参数——绝热温比。试验结果表明:缝槽进气孔间距对气膜冷却效率影响很大,减小进气孔间距,可以减小缝槽几何特征参数MIX_N,明显提高气膜的绝热温比。      

小孔辅助结构影响气膜冷却效果的实验

采用稳态液晶测温方法,详细研究了具有辅助小孔的分叉孔和大小孔的冷却效率分布规律,并与圆柱孔和扇形孔进行对比,分析小孔辅助结构对气膜冷却效果的影响.实验参数:主流雷诺数为2900,吹风比为0.3~3.0,密度比为1.06.结果表明:所有工况下,小孔辅助结构均在一定程度上提高气膜冷却效果,吹风比越大,对气膜冷却效果的改善就越明显,并且大小孔的冷却效率始终高于分叉孔.扇形孔只在吹风比大于1.0时,才起到改善气膜冷却效果的作用.      

分腔流量比对涡轮曲端壁表面冷却特性实验

利用高速风洞及压敏漆（PSP）技术,研究了端壁表面不同分腔流量比对端壁表面的气膜冷却效率的影响。对比各个分腔在不同流量比下端壁表面的气膜冷却效率的详细分布发现：端壁表面的气膜冷却效率随着槽缝流（分腔1）流量比的增加而增大,随着槽缝喷射冷气流量的增加,冷气在端壁表面的覆盖范围变广,同时冷却效果也有所提升;随着端壁前部分腔（分腔2）冷气流量比的增加,叶栅通道喉部上游区域的冷却流体会出现明显的吹离壁面的情况,端壁表面的气膜冷却效率也会随之减小;端壁后部分腔（分腔3）冷气流量比对端壁表面的冷却效率的影响与分腔2类似。     

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.      

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.      

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。     

气膜孔结构对涡轮导叶端壁冷却效率的影响研究

对涡轮叶栅端壁上游4种气膜冷却结构模型进行了数值模拟,得出在不同吹风比情况下涡轮叶栅端壁的流动与换热特性。结果表明,无槽气膜孔冷气射流在孔下游与主流相互作用形成1对转动方向相反的耦合涡,主流被卷入耦合涡并冲击到了端壁,使得孔间壁温接近主流温度,气膜冷却效率很低;带槽气膜孔抑制了耦合涡的形成,冷却了孔间端壁,气膜冷却效率较高,而且,随着槽深度的增加,冷气的展向(Y向)宽度逐渐增加,扩大了冷气覆盖区域,提高了端壁气膜冷却效率。     

气膜孔形状对导叶冷却效果影响的数值研究

根据导向叶片的曲面结构,运用剪应力输运方程(SST)湍流模型,针对簸箕形、锥形和缝形气膜孔的流场和冷却特性同圆形气膜孔进行了对比研究.研究结果为:随着冷气入口压力的增加,各种冷却结构的冷却效果也在增加;而在相同的冷气入口压力条件下,各种形状气膜孔的冷却流量和冷却效果不尽相同,在该研究条件下,簸箕形和缝形气膜孔的冷却效果最好,锥形孔次之.      

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。     

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.      

致密孔阵气膜冷却绝热温比和对流换热系数的数值研究

采用数值模拟方法研究了气膜孔叉排方式下孔间距和吹风比对致密孔阵气膜冷却绝热温比和对流换热系数的影响.结果表明:减小相邻孔间距与孔径比或增加吹风比,平均壁面温度就越低,且温度分布更为均匀,绝热温比提高,热侧壁面平均换热系数也随之增大;相对于增加气膜孔阵的密集程度而言,吹风比的增加所带来的绝热温比改善和对流换热系数增加幅度略有减弱.特别是当吹风比大于1以后,吹风比的影响程度比较微弱.      

带锥形扩张支孔射流气膜冷却效率数值模拟

 为了探讨由圆柱孔和锥形支孔组成的双出口孔射流气膜冷却特性,利用商业软件对气膜冷却下的流场和温度场进行三维数值模拟。主流雷诺数为10 000,吹风比变化范围为0.5~2.0。计算得到了冷却效率云图、冷却效率径向平均值以及近壁面处流场和温度场分布。研究结果表明,圆柱形孔射流的冷却效率数值模拟结果和实验数据吻合得非常好,双出口孔射流的冷却效率相对于圆柱形孔射流的冷却效率明显提高,径向分布非常均匀。双出口孔射流的流动结构和单圆柱孔射流的流动结构明显不同。随着吹风比的增加,冷却效率增大。基于冷却效率的最佳吹风比为1.5。