气膜冷却平板表面颗粒物沉积的实验研究

为了解涡轮叶片表面颗粒物的沉积规律和沉积对气膜冷却的影响,实验通过石蜡喷涂装置将熔融石蜡颗粒喷入到小型风洞中,石蜡颗粒沉积在具有气膜冷却的平板表面上来模拟涡轮叶片上的颗粒物沉积过程。实验中将表征石蜡熔融颗粒尺寸的斯托克斯数与实际燃气涡轮发动机中的煤灰颗粒相匹配,通过调节主流温度,保持石蜡颗粒在沉积前处于熔融状态来模拟真实涡轮叶片上颗粒物的粘附机理,观察没有气膜冷却情况下的石蜡沉积过程和有气膜冷却情况下,不同吹风比和不同射流角度对石蜡沉积的影响,以及石蜡沉积后对平板表面气膜冷却的影响。研究发现石蜡熔融温度与主流温度相接近时,更容易沉积在平板表面,并且石蜡沉积在生长到一定厚度后不再增长。在有气膜冷却的情况下,吹风比从0增加到1.5时,平板表面石蜡沉积先减少后增加,吹风比为0.5时,石蜡沉积最少。射流角度由30°增加到90°时,平板表面石蜡沉积逐渐增多。石蜡沉积降低了平板气膜冷却效率,并且气膜孔间下游区域的温度比气膜孔下游区域更高。     

污染物沉积和热障涂层脱落对气膜冷却效率影响的数值研究

污染物沉积到有热障涂层的涡轮叶片上之后,会导致叶片表面状况的改变,进而影响气膜冷却效率。为分析影响规律,利用三维数值计算研究了3种典型情况下的气膜冷却特性:污染物沉积、热障涂层脱落及气膜孔堵塞,并得到了吹风比的影响规律。研究结果表明,平板气膜冷却吹风比为0.5时,冷却效果最佳;在发生沉积和堵塞后,气膜孔附近产生的反旋涡对会削弱沉积和堵塞后的气膜冷却效率,沉积高度增加会强化这种削弱效果;由于在沉积情况下高吹风比会诱导出正向旋涡使得气膜贴近壁面,因此随着吹风比增大,气膜冷却效果增强;因涂层脱落而在孔下游产生的裂纹在低吹风比时会降低冷却效率,高吹风比时改进冷却效果,使得最佳吹风比由0.5上升到0.7左右;气膜孔堵塞会降低冷却效率,使得气膜更易脱离壁面。      

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.      

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.      

沟槽表面双排孔顺逆组合对气膜冷却的影响

数值模拟研究了双排气膜孔顺逆组合形式对沟槽表面气膜冷却效率影响,孔间距与气膜孔直径之比为5,孔排间距与气膜孔直径之比为12,吹风比为0.3、0.8和1.4。结果表明,在吹风比较小时,沟槽对气膜有显著的导向作用,冷气在相邻的沟槽内部流动。当吹风比增大时,冷气喷到沟槽顶部,导向作用减弱。顺向射流的气膜贴近冷却表面,在低吹风比下气膜冷却效率较高。在高吹风比下,逆向射流覆盖更宽,气膜孔排间叠加效应明显。吹风比为0.3时,逆-逆组合的气膜冷却效率最低,面平均气膜冷却效率为0.07,相比于最高的顺-顺组合的0.13降低46%。当吹风比为0.8时,顺-顺、逆-顺、顺-逆组合的面平均气膜冷却效率相近,约为0.11,其中顺-逆组合气膜冷却效率分布更均匀。吹风比为1.4时,逆-逆组合的面平均气膜冷却效率最高,为0.13,相比于顺-顺组合提升116%。     

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。     

离散孔切向进气气膜冷却效率的实验

采用红外热像仪对具有不同孔径和排列方式的离散孔切向进气的气膜冷却结构的绝热壁温进行了测试,获得了气膜冷却效率随吹风比和无量纲流向距离变化的经验关联式。研究结果表明,在本文研究的参数范围内,离散孔切向进气气膜冷却的冷却效率随吹风比和气膜孔直径的增大而上升;在气膜孔板开孔率和吹风比相同时,由排型引起的冷却效率差异不是很大。      

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.     

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。     

主流偏角对单排圆柱型气膜孔冷却特性的影响

数值模拟研究了主流偏角对单排圆柱型气膜孔冷却特性的影响,在气膜孔中心间距相等的计算条件下,在吹风比为1.0时,计算结果与主流和气膜孔都无偏角、主流无偏角而气膜孔有45°偏角这两种流动情况做了对比.结果显示:相对于主流和气膜孔都无偏角时,主流有45°偏角而气膜孔无偏角时气膜平均冷却效率更大,分布更均匀;相比于主流无偏角而气膜孔有45°偏角时,在气膜孔附近处,主流有45°偏角而气膜孔无偏角时气膜平均冷却效率更小,在远离气膜孔的下游位置处,气膜平均冷却效率更大.另外在吹风比为0.5和1.5条件下进行了数值模拟,结果也显示3种流动情况气膜冷却效率分布存在明显差距,有必要对主流偏角对单排气膜孔冷却特性的影响做进一步的实验和数值研究.      

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.      

气膜孔附近粒子沉积特性的数值研究

研究了气膜孔附近的粒子运动与沉积特性,重点研究了粒子直径和气膜出流吹风比对粒子运动与沉积特性的影响. 基于EI-Batsh粒子沉积模型,考虑了粒子的黏附/反弹和离去机制,编制了相应的粒子沉积计算模块集成在Fluent软件中,并利用相关实验数据对该计算方法进行了验证.结果表明:1,2μm直径粒子沉积率随吹风比增大而增大;3,4μm直径粒子沉积率则随吹风比增大而减小.1μm直径粒子易受气膜出流卵形涡对的卷吸作用而沉积于相邻气膜孔之间区域,当吹风比为2时粒子沉积率比吹风比为0时高约5倍;5μm直径粒子运动轨迹受气膜出流影响较小.总体沉积率随吹风比升高而不断降低,吹风比为2时总体沉积率比吹风比为0时减小1.7%.      

带凹坑圆孔气膜冷却流动传热特性

利用大涡模拟方法对平板带凹坑气膜孔冷气射流与主流的相互作用展开研究,并结合红外热成像壁温测试和粒子图像测速结果进行实验验证,揭示了凹坑对气膜冷却的强化机理.结果表明:凹坑在气膜孔下游诱发反肾型涡对,将冷气向壁面卷吸,改善了气膜贴壁性;与圆孔气膜冷却相似,凹坑气膜冷却流场也出现马蹄涡、发卡涡等大尺度拟序结构,但与圆孔下游...     

孔阵排列疏密度对致密多孔壁冷却效果的影响

为了获得气膜孔阵排列的疏密度对致密多孔壁冷却效果的影响规律，分别对四种疏密度排列下的平板热侧面上的冷却效果进行了数值模拟研究。各物理模型通过改变气膜孔径大小和孔间距得到不同的孔阵排列疏密度。为了便于相互比较，各计算模型的边界条件完全相同，而且平板气膜孔区单位面积上冷气流量均相等。计算结果显示：在一定的范围内，孔阵排列的疏密度越大，冷却效果越好。在热侧面上的气膜孔区及其下游区，致密多孔壁的冷却效果都非常好，比同等条件下常规气膜冷却的效果好得多。     

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。     

基于热色液晶的异型气膜孔气膜分布特征的可视化实验

通过在气膜孔下游不同位置设置涂有热色液晶的黑色尼龙网,根据尼龙网上的彩色无量纲温度轮廓,对圆柱孔、水滴孔和簸箕孔在吹风比为0.5,1,2下的气膜分布状况进行可视化实验研究.结果表明:气膜孔沿主流流向的扩张会降低出流平均动量,较小程度地减弱了肾形对涡强度,使气膜的覆盖范围和气膜厚度都有所增大;展向扩张使出流平均动量降低的同时使其具有展向速度分量,明显降低了肾形对涡强度,显著增大气膜覆盖范围、降低气膜厚度,增强气膜的贴壁性;吹风比增大使气膜脱离壁面的趋势增强,降低气膜覆盖范围;排孔的相邻孔的出流会相互影响,有利于将气膜压向壁面,相比单孔来讲排孔的冷却效果和气膜覆盖效果更好.      

平板孤立冷却孔下游换热特性实验

为了考察弯曲冷却孔通道对气膜冷却的影响,运用稳态液晶测温技术,对处于横向流中平板孤立圆形直孔和圆形弯曲孔下游的换热特性进行了实验研究。得到了吹风比为0.51、0.8、1.04、1.22下,冷却孔下游附近的冷却效率分布和传热系数的二维分布。实验结果证明:弯曲射流能够有效地提高下游的冷却效率,并且能使气膜具有较强的横向扩展能力,覆盖效果好。但由于其对主流有较强的扰动,所以会增加当地的局部传热系数。