冷却空气管供气腔脉冲射流流动响应特性实验研究

为了探究脉冲射流经航空发动机主动控制系统中冷却空气管内的流动响应规律，本文对单排40个出流孔的冷却空气管内的脉冲射流流动响应特性进行了实验研究。同时，引入了响应时间、迟滞时间和出流速度系数三个评价参数，对脉冲射流在冷却空气管内的响应特性进行定量分析。实验重点分析了脉冲频率f（1Hz~20Hz）、进口雷诺数Re（5000~20000）等参数变化对流动响应特性带来的影响。研究发现，在一个脉冲周期内，冷却空气管出流速度的响应时间和迟滞时间沿程逐渐增加，出流速度系数沿程变化不大。在本文实验参数范围内，f和Re增加，冷却空气管出流响应时间、迟滞时间所占脉冲周期的比例和出流速度系数逐渐增加。f、Re越大，冷却空气管内压力越大，流容越小。     

一种控制气流分离的无源微脉冲射流技术研究

基于压气机在大负荷下发生气流分离的流动特征提出了一种无源引气微脉冲射流控制的概念,并对其核心的脉冲射流器进行了特性实验分析,结果表明脉冲射流器能产生明显的脉冲射流且射流频率无级可调.结合无源脉冲射流控制方式建立了一套仿叶栅通道实验模型,得到了无流动控制时通道内稳态及动态压力特性,在设计状态下通道内分离涡主频为266 Hz.对该分离流场进行了脉冲射流控制通道内气流分离的实验研究,实验测量了频率从60 Hz到600Hz的微脉冲射流对分离流的控制效果.实验结果表明:从通道总压损失减小的效果来看,当脉冲射流频率接近分离涡主频时控制效果最为明显.此时通道内占主导地位的分离涡的周期性特性得到了明显的改善,其他频率的旋涡对流场的影响程度在脉冲射流的作用下被削弱,流场结构较无控、定常射流控制及其他脉冲射流频率状态更为有序.     

半封闭通道射流冲击孔流量系数的实验

对半封闭通道射流冲击孔的流量系数进行了实验研究,针对单排、双排冲击孔结构,在变化各种几何参数及流动参数的情况下,较为系统地获得了射流孔展向间距与射流孔直径之比、射流孔流向间距与射流孔直径之比、射流冲击间距与射流孔直径之比、射流孔倾角等因素对于流量系数随射流雷诺数的变化曲线.通过对比分析,讨论了各种因素对流量系数的影响.      

表面凸起对机翼热气防冰腔内换热强化的影响

采用数值模拟对比研究了光滑表面和具有表面凸起结构热气防冰腔内湍流流动的换热特性。机翼防冰腔内笛形管具有三排射流孔,射流孔角度有0°±45°组合以及0°±30°组合。为了强化射流冲击光滑表面的流动换热,在防冰腔内表面正对射流孔的射流冲击区,设计了表面凸起结构,用来强化射流对壁面的冲击换热效果并起到引流作用。通过改变射流孔射流角度研究了射流角度对传热特性的影响。计算结果表明:与光滑防冰腔内表面射流冲击换热相比,表面凸起结构可以将均匀发散的壁面射流集中为高速壁面射流,提高壁面射流区的对流换热系数,从而增强射流冲击换热效果,机翼前缘的强化换热效果尤为明显。     

脉冲射流控制弯曲扩压管道流动分离的特点

结合弯曲扩压通道的脉冲射流总体控制规律,开展了不同射流频率下通道内流场的稳定及动态特性分析.研究结果表明:定常射流控制状态下,流场内沿径向不同位置流动特性的变化幅度基本相同,定常射流通过压制通道内复杂流动现象达到整体线性地改变通道内流场特性的效果;而在合理脉冲射流控制状态下,脉冲射流对流场的影响主要是通过改变分离涡的脉动时空特性,沿径向逐步增强对流场的影响,从而使得主流区内总压损失降低幅度最为明显,此时扩压通道内占主导地位分离涡的周期性特征有了明显的改善,流场拟序结构更为有序.      

微射流阵列特性的数值模拟研究

对微射流阵列的流动和换热特性进行了数值模拟研究。以液态水为冷却工质,通过改变射流雷诺数Re、射流孔间距x/d、射流高度z/d,研究了上述参数对微射流阵列特性的影响。结果表明:微射流换热效果随着射流雷诺数的增大而增强,随着射流高度的增大而减弱,且在射流孔间距为最适值时达到最佳换热效果;射流流体流经设备的压降随射流雷诺数的增大而增大,随射流高度的增大而减小,且射流孔间距的变化对压降的影响不明显。     

掺混孔结构对大曲率受限空间出口温度分布的影响

回流燃烧室的掺混射流在大曲率受限的弯管中与主流掺混,回流导致沿径向的压力梯度变化,增加了掺混流动的复杂性.为了研究不同掺混孔结构对掺混射流与主流在大曲率弯曲通道内的掺混规律,在有收缩比弯曲通道中多孔射流的出口温度分布测试中,对影响掺混冷却的各变化参数按照单一变量进行比对研究,对孔径、孔间距等掺混孔结构变量弯曲通道内的掺...     

脉冲横向射流的大涡模拟

为了研究脉冲气膜冷却的流动特性,采用基于高阶对称加权本质无振荡(WENO)-Roe格式和隐式牛顿迭代时间推进、动态亚格子模型和预处理技术下的大涡模拟(LES)计算方法,对吹气比为1.0下的斜管横向射流进行了稳态和脉冲两种不同工况下的数值模拟.计算结果显示了射流流场中存在发卡涡结构,研究表明射流孔进口位置的脉冲改变了射流出口拟序结构,即改变了射流与主流的掺混过程.      

叶尖间隙控制系统供气部件特性及模拟方法

针对低压涡轮叶尖间隙控制系统中典型供气管路，即圆形截面90°弯曲冷却管，开展其工作特性和模拟方法研究.通过1∶1单管模型试验结合三维数值模拟方法，研究了冷却管上冲击孔的出流特性，分析了进气参数、冲击孔排布对冷却管内气体流动及流量分配的影响规律.在此基础上，提出了基于冲击孔进口有效总压概念的冷却管一维网络流动计算模型，建立了低压涡轮叶尖间隙系统中典型供气管路的一维网络流动计算方法，并应用于某型发动机组件流量特性试验设计中.研究中发现，随着远离进口位置，冷却管冲击孔出流流量和冲击孔流量系数逐步增加；随着进口雷诺数的增加，冷却管内冲击孔出流流量均有所增加，而冲击孔流量系数基本保持不变.试验数据和计算结果比对表明，所建立的一维网络流动计算模型可以准确模拟出冷却管的出流特性，计算结果同组件流量特性试验数据之间最大相对误差为4.5%，在叶尖间隙控制系统这类系统复杂流路的流动问题分析中具有良好的应用效果.      

通道高度对受限长通道流动特性的影响

为更好地掌握涡轮叶片错排射流冲击受限长通道内的流动结构,了解横流对射流作用的影响,获取沿流动方向通道内的流动特性,对包含12个射流孔和1个出流孔的受限通道流场进行了详细的测量,着重研究受限通道和出流孔内的流动特性,同时获得沿通道密流比、侧壁静压以及孔流量系数的变化规律。实验结果表明:通道高度主导着通道和出流孔内的流动特性,但其影响随着通道高度的进一步增加而减弱;通道高度的增加削弱了横流强度,但也增加了射流流程,使其在下游位置无法对靶面形成有效冲击;随通道高度的增加,沿通道流量分配趋于均匀,密流比呈线性分布,沿程压降趋缓,出流孔流量系数提高。     

射流管伺服阀前置级压力特性

为分析射流管伺服阀射流管喷嘴高压射流区的特性,建立了射流管伺服阀前置级数学模型,得到了射流管偏移值、射流管喷嘴半径和接收孔半径对接收器压力分布、喷嘴出口流速及接收器的左右孔恢复压力的影响规律.流场分析发现射流管喷嘴的高速射流出口处容易产生旋涡,且存在环状负压效应.结果表明:高压射流状态下,射流管喷嘴半径增大,恢复压力增加;接收孔半径增大,恢复压力降低.接收孔半径与射流管喷嘴半径之比的最佳取值区间为[1.3,1.5].当射流管偏移值增大时,在偏移值增大一侧,射流管与接收孔之间的有效流体接收面积增大,射流管与接收孔之间的流体旋涡扩大,内部流场环状负压效应增加,接收孔恢复压力降低.      

延伸冲击孔冲击冷却流动与换热特性的数值研究

采用数值模拟方法研究了延伸冲击孔冲击冷却系统的冷却特性,分析了3个冲击雷诺数和5个冲击孔延伸长度对冲击腔内流动与换热特性的影响,给出了靶面努塞尔数分布、靶面压力分布、中心截面流速与综合换热性能的变化。结果表明：延伸冲击孔可以有效地防止横流对冲击射流的偏转作用,同时使射流出口更加贴近冲击靶面壁面,冲击速度更高,可以明显提高靶面的换热系数,并使整个靶面上的换热系数分布也更加均匀。冲击冷却的冷却性能随着冲击孔延伸长度的增加而增加,相较于传统冲击冷却（baseline）,在L/d=2.5时靶面平均努塞尔数提升达15%以上,但压力损失也相对较高;对比不同延伸长度冲击孔的综合换热性能,发现存在最佳的L/d取值范围使冲击冷却系统获得最佳的综合冷却性能。在本研究范围内,最佳的L/d= 2.5。     

半封闭通道射流冲击换热特性的实验

运用红外热像仪测试技术对半封闭通道单、双排孔射流冲击冷却进行了热像显示试验,总结了各种流动参数和几何参数对局部换热特性的影响规律:对于单排垂直射流,冲击冷却效果随冲击雷诺数的增加、孔间距与直径比的减小而得到提高,冲击间距比为2时换热效果最好;冲击孔中心线向通道封闭一侧倾斜后,射流冲击冷却的范围变窄,当冲击间距比大于2时驻点区的对流换热能力明显降低;对于双排冲击射流,在较小的冲击射流雷诺数和较大的冲击间距比下,后排射流的冲击换热效果要逊于前排射流。      

直径比对冲击气膜组合冷却流动与换热的影响

 通过数值模拟,研究了涡轮叶片弦中区所采用的新型双层腔冷却结构的冷却特性,系统分析了冲击气膜组合冷却的流动与换热特性,讨论了冷气进口雷诺数Re、吹风比M以及气膜孔与冲击孔的直径比D/d对组合冷却效果的影响。计算参数范围是：冷气进口雷诺数Re＝2 000～5 000,吹风比M＝0.6～2.0。计算结果表明, 冷气进口Re,M以及D/d对双层腔结构冷却效果的影响非常明显,在计算范围内:（1）Re和M越高,冷却效果越好;（2）当冲击孔直径一定时,增加气膜孔的直径,冷却效果会随之增加;（3）当冲击孔直径一定时,增加气膜孔的直径,流阻系数会随之减小。     

活塞驱动合成喷流动和传热特性

为了揭示合成喷冲击冷却的内在机制和作用效果,采用数值计算和实验方法分别对活塞驱动合成喷的流动特征和冲击靶板的对流换热特征进行了研究。结果表明,在活塞低频往复驱动条件下,活塞往复频率和活塞振幅的加大导致合成喷的穿透距离增大。与常规连续射流冲击冷却相比,合成喷冲击作用下的靶面对流换热系数同样具有随着冲击间距增大而先逐渐增大、后逐渐衰减的变化趋势,但最佳冲击间距值却明显高于常规射流,而且合成喷对冲击靶板的作用范围有所扩大,表明合成喷具有强的夹带能力和穿透能力。     

双层壳型冲击/气膜复合冷却效果的实验

以双层壳型冲击/气膜复合冷却结构的平壁模型作为研究对象, 进行了该种冷却结构的复合冷却效果实验研究.研究中改变冷热气流吹风比M, 冲击距H/d, 冲击孔和气膜孔间距与冲击孔直径之比P/d等参数, 利用红外热像仪拍摄实验件的温度分布.研究结果表明:上述参数均影响双层壳型冲击/气膜复合冷却效果, 而且影响规律表现出较强的关联性.随着吹风比的增加, 复合冷却效果逐步增强;在实验工况条件下, 存在一个最佳冲击距H/d范围使得复合冷却效果最佳;同时在冲击孔和气膜孔之间也存在一个最佳的P/d范围, 使得复合冷却效果达到最大.当H/d=0.5和P/d=4时, 双层壳型冲击/气膜复合冷却结构能达到最佳的冷却效果.      

压电驱动自耦合射流冲击冷却特性的实验

利用热线风速仪测量了二维狭缝自耦合射流的速度和湍流度变化,获得了激发器输入电压、频率对自耦合射流的影响规律,获得了激发器的最佳激励电压和频率值;并将自耦合射流应用于冲击换热,通过红外热像仪得到了不同加热功率下加热靶板对流换热系数分布。实验结果表明:(1)在冲击间距比小于20时,射流处于发展区内,冲击冷却效果较差;(2)冲击间距比大于20以后,射流完全形成并趋于稳定后,冲击靶板的换热效果较好;(3)但由于射流速度随着距离增大而衰减,换热效果在冲击间距比为80时达到最佳。      

窄通道内冲击冷却局部换热特性的瞬态液晶测量

 为了深入了解涡轮叶片中冲击窄通道内的换热特性,采用热色液晶瞬态测量技术测量了冲击窄通道内全表面换热系数,获得了不同冲击雷诺数Re、相对冲击孔间距S/d以及有无气膜孔出流时通道内各表面的换热系数分布规律。结果表明：冲击通道内各个面的换热系数均随雷诺数的增加而增加,其中冲击靶面的平均换热系数最大,在雷诺数较大时,冲击面的平均换热系数要比冲击侧面的大;气膜孔出流和相对冲击孔间距增大均会使冲击侧面和冲击面的平均换热系数明显减小,而对冲击靶面平均换热系数的影响却较小;各个面上受气流直接冲击的区域换热系数最大,同时冲击孔和气膜孔附近区域的换热系数也很大。     

基于Hartmann谐振腔的雾化喷嘴声场流场特性

采用试验与数值模拟相结合的方法研究了谐振腔孔径、谐振腔深度、谐振腔与射流喷孔距离以及喷嘴压比（NPR）对基于Hartmann谐振腔（HRT）的气动式超声波雾化喷嘴外部流场及声场的影响.结果表明:当喷嘴压比大于2时,喷嘴压比增大对声场频率影响较小;当喷嘴压比小于2时,谐振腔依然能够产生高频声场,但其频率较高喷嘴压比时产生的小.当谐振腔深度小于1倍射流喷孔孔径时,此时高频声场主要由射流的不稳定性引发,声场频率与谐振腔深度经验关系式此时并不适用;当谐振腔孔径大于1.75倍射流喷孔孔径时,声场频率大小有降低趋势.谐振腔与射流喷孔距离与声场频率关系紧密,当谐振腔放置在自由射流压力增大区域时,才可获得理想高频声场.