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。      

扫掠冲击-气膜冷却结构的气动传热特性数值研究

为了揭示“扫掠冲击-气膜”冷却结构的换热机理,采用气热耦合方法和SST k-ω湍流模型,对比分析了吹风比为1, 2, 3, 4和气膜孔角度为30°, 45°, 55°, 65°等条件下“直接冲击-气膜”组合方式和“扫掠冲击-气膜”组合方式在平板模型上的气动传热特性。结果表明,流体激振器的扫掠频率、冲击靶面上的Nu数随吹风比增大而增大,并且几乎不受气膜孔角度影响。两种组合方式的总压损失系数和综合冷却效率随吹风比增大而增大,并且随气膜孔角度的增大而略微减小。尽管在使用相同冷气流量时“扫掠冲击-气膜”组合方式的冷气进口静压较高,但是其具有冲击靶面上Nu数分布均匀、综合冷却效率更高且分布面积更大的优势。     

双出口孔射流气膜冷却换热特性数值模拟

为了优化气膜冷却结构,通过数值模拟研究了一种新型气膜孔(由两个圆柱孔组成的双出口孔)的气膜冷却换热特性。利用Fluent软件对N-S方程进行求解,湍流模型采用两方程realizable k-ε模型和增强壁面函数处理。重点研究了吹风比对气膜冷却换热系数、换热系数比和热流比的影响。结果表明,换热系数随吹风比增大而增大,随x/d增大而减小,气膜孔附近尤其明显。吹风比0.5和1.0时,换热系数比随x/d增大而减小;吹风比1.5和2.0时,换热系数比随x/d增大先减小后增大。在研究的吹风比范围,双出口孔射流气膜冷却起到了削减从燃气传入叶片热流的作用。吹风比从0.5增大到1.0,热流比减小;吹风比从1.0增大到2.0,热流比增大。热流比随x/d增大而增大,气膜冷却的冷却效果减小。     

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.      

防冰支板气膜缝出流对水滴撞击特性的影响

为研究防冰支板气膜缝出流对其表面水滴撞击特性的影响,利用Fluent软件的离散相模型,在不同气膜缝出流位置、出流角度、宽度及出流流量条件下对防冰支板表面水滴撞击特性进行了计算。结果表明:水滴撞击极限随气膜缝出流流量的增大而减小;水滴局部撞击效率受气膜缝出流位置的影响,并随出流角度、出流流量的增大而减小;水滴总撞击效率随气膜缝出流位置的前移、出流角度的增大和出流流量的增加而减小;气膜覆盖效果随气膜缝出流角度的减小、宽度的增大和出流流量的增加而更好。     

狭小空间内气膜孔流量系数的数值模拟

针对多层层板冷却、双层壁冷却等冷却技术,利用数值模拟分析了这些冷却结构形成的狭小冷却通道中,气膜孔附近的流动特性,重点研究了气膜孔流量系数C_{d随吹风比M(0.5～2.0)、气膜孔雷诺数Re(5000～10000)以及冷却通道高度H和气膜孔直径D之比H/D(0.33～1.0)等参数的变化规律.数值计算中湍流模型为Realizable k-ε模型,近壁处采用非平衡壁面函数,利用SIMPLE算法和二阶迎风格式进行离散求解.计算结果表明:气膜孔流量系数随吹风比的增大而增大,在吹风比M小于1时,影响尤为明显.研究中同时发现在相同吹风比的条件下,Cd随着气膜孔雷诺数的增大而减小,但变化的幅度不大;在相同的气膜孔雷诺数下,Cd随着H/D的减小而降低,特别是当H/D小于0.75时,随着流体在进入气膜孔前逐步受到限制,Cd随着H/D的减小而快速降低.}      

基于多参数的层板综合冷却效率实验研究及试验验证

采用正交实验设计方法，研究了冲击孔直径、扰流柱直径、气膜孔直径、冲击高度、轴向间距、展向间距和吹风比对层板综合冷却效率的耦合影响。研究结果表明：气膜孔直径、展向间距和轴向间距是综合冷却效率的主要结构影响因素，综合冷却效率随气膜孔直径增大而增大，随展向间距和轴向间距增大而减小，相同开孔率时减小展向间距比减小轴向间距更有利于提高综合冷却效率；随着吹风比增大，综合冷却效率先快速后缓慢增大；根据实验结果拟合了层板综合冷却效率模型，拟合误差在±5%以内，经主燃烧室全环试验件高温高压试验验证，该模型预测的综合冷却效率最大误差为5.86%。     

涡轮叶片前缘对冲孔排气膜冷却特性的数值研究

对涡轮叶片前缘对冲孔排和错位对冲孔排的气膜冷却特性进行了数值研究，分别在吹风比为05、10、15、20的工况下，分析了模型表面气膜冷却效率和表面传热系数的分布规律，对比了不同气膜孔排结构和孔间距对下游气膜冷却效率和传热系数的影响。结果表明:相比于传统同向倾斜孔排结构，对冲孔排结构并没有减弱气膜的冷却特性，反而在靠近端壁处比传统同向倾斜孔排更易于加工；两种孔排下的气膜冷却效率均随着吹风比的增大而减小，而传热系数值均随着吹风比的增大而增大；在孔排近下游范围内，随着孔间距的增大，气膜冷却效率逐渐减小且在小吹风比下更加明显，传热系数值随着孔间距的增大逐渐减小且在大吹风比下更加明显。      

纵向波纹隔热屏气膜冷却特性实验

针对加力燃烧室纵向波纹隔热屏气膜冷却效果开展了细致的实验研究,利用红外热像仪测量了隔热屏壁面的温度分布,分析了隔热屏板型、吹风比、开孔率等参数对气膜冷却效率的影响。实验中板型选取了平板和纵向波纹隔热屏,吹风比变化范围是0.5~3.0,开孔率变化范围是1.4%~3.7%。结果表明:相比于平板隔热屏的气膜冷却效率沿程逐渐增加,纵向波纹隔热屏的气膜冷却效率随波纹板的起伏而起伏且大于平板隔热屏;随着吹风比的增加气膜冷却效率逐渐加大,在吹风比为3.0时达到最大值;气膜冷却效率在波峰处低,波谷处高,整体上随波纹板的起伏而波动,吹风比越小,气膜冷却效率随波纹板的起伏变化越明显;高吹风比(吹风比为2.0~3.0)下,气膜冷却效率沿程变化与增幅较为缓慢;整体上,随着开孔率的增加气膜冷却效率逐渐加大,小开孔率(开孔率为1.4%、2.7%)下的气膜冷却效率相差不大,但在次流背风侧,开孔率小的气膜冷却效率要小于开孔率大的气膜冷却效率。      

高速条件下吸力面复合角孔气膜冷却特性

为探究高速条件下涡轮叶片吸力面上复合角孔的气膜冷却特性,在高速风洞中实验测量了吸力面复合角孔的气膜冷却效率与传热系数比,并通过净热通量减少(NHFR)衡量了复合角孔对吸力面的气膜冷却净收益。分析了雷诺数、吹风比以及湍流度对气膜冷却效率、传热系数比及净热通量减少的影响规律,结果表明：低雷诺数下气膜冷却效率受雷诺数影响较大,但当雷诺数增大至6.4×10⁵以上时,气膜冷却效率几乎不再变化;随湍流度的增大,气膜冷却效率整体降低,低吹风比下气膜冷效对雷诺数、湍流度较为敏感。传热系数比随气膜吹风比增加而增大,但在湍流度较大时,气膜冷却对传热系数的影响降低。湍流度的增大使NHFR有所升高。研究表明对高的湍流度工况,吹风比为0.8时复合角孔呈现最佳的气膜冷却性能。     

沟槽平板颗粒沉积特性和气膜冷却性能

通过将平板上的气膜冷却孔嵌入横向沟槽中,探究沟槽深度对平板颗粒沉积分布和气膜冷却性能的影响。结果表明:沟槽结构的存在改善了平板表面的颗粒沉积情况和气膜冷却性能,并将一定颗粒阻隔在沟槽内部。在同一吹风比下,沟槽深度的增加使得整体的颗粒碰撞效率增大。在吹风比较小时,3种沟槽深度的结构减小了平板颗粒的沉积和捕获,并改善了冷却孔下游气膜冷却效率。但在大吹风比下,不同沟槽深度改善颗粒沉积分布和气膜冷却效率方面各有差异。对比不同沟槽深度结构在各个工况下的性能,沟槽深度为0.8倍孔径的结构在改善颗粒沉积分布的同时也能兼顾提升气膜冷却孔下游的气膜冷却效率。      

气膜冷却射流对叶片微细颗粒沉积影响

针对微细颗粒在涡轮叶片表面的沉积问题,采用EI-Batsh沉积模型对涡轮叶片表面微细颗粒沉积情况进行数值仿真,探究压力面冷却射流对颗粒沉积特性的影响.研究表明:沉积主要发生于叶片前缘与压力面,且沉积率随着粒径的增大不断增大,但粒径增大到17 μm后沉积率增加幅度开始变小.存在冷却射流时,射流可以通过吹离和卷吸作用影响小...     

叶片前缘气膜冷却效率的实验研究

采用放大的半圆柱状表面模拟涡轮叶片前缘的形状,对叶片前缘多排圆柱形孔的气膜冷却效率进行了实验研究。测出了孔排区及其下游的局部冷却效率。研究了主流雷诺数及平均吹风比对冷却效率及二次流(冷气)出流轨迹的影响。实验参数范围是:主流雷诺数Re=42000～127000,平均吹风比M=0.8～2.0,测量分8个工况进行。      

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。      

基于PSP实验技术的双射流气膜冷却 特性研究

基于压力敏感漆(PSP)实验技术研究了具有双射流、圆孔和扇形孔的气膜冷却系统在主流湍流度为6%,吹风比分别为0.5,0.8,1.0,1.2和1.5时的冷却特性.圆孔平均气膜冷却效率在吹风比为0.8到1.5范围内逐渐降低;而双射流和扇形孔在整个实验范围内随吹风比的增大而升高,这表明双射流很好地抑制了射流与壁面的吹离.在同等条件下,双射流气膜冷却效率优于圆孔,而低于扇形孔.实验条件下的数值模拟结果清楚地表明了圆孔、双射流和扇形孔分别形成的肾形涡系、反肾形涡系和弱肾形涡系是形成各自气膜冷却特性的主要因素.      

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。      

涡轮动叶表面换热特性的试验研究

航空发动机性能的提高对涡轮叶片耐热极限提出了更高的要求,为了更准确地分析涡轮叶片的传热特性,选取某型气冷涡轮动叶10%、50%和90%叶高的特征型面通过低导热光敏树脂材料经过3D打印而成,通过叶片表面粘贴厚度为0.02mm康铜加热膜接通恒定电流加热,使用红外热像系统精确测量叶片壁面温度,在平面叶栅中研究了吹风比(M)和雷诺数(Re)对气膜绝热冷却效率和努塞尔数(Nu)的影响(试验中基于弦长的进口雷诺数Re为8.0×10⁴-16.7×10⁴,吹风比M为1-3)。试验结果表明：M=1时气膜能够较好附着在叶片表面,叶片表面得到较好冷却;随着主流雷诺数的增加,绝热壁面温度逐渐升高,绝热效率逐渐降低;吹风比对涡轮叶片的传热特性的影响与气膜孔出流角度有关,随着吹风比的增大,压力面绝热冷却效率逐渐增大,由于吸力面的气膜孔出流角较大,吹风比增大使得吸力面的绝热冷却效率逐渐减小;随着吹风比的增加,对流换热系数增大。     

Numerical Study of Flow and Heat Transfer Characteristics of Impingement/Effusion Cooling

Three-dimensional numerical simulation is carried out to investigate the flow and heat transfer characteristics of impingement/effusion cooling systems. The impingement/effusion holes are arranged on two parallel perforated plates respectively in a staggered manner. Every effusion hole has an inclined angle of 30° with respect to the surface. The two parallel plates are spaced three times the diameter of the effusion hole. The ratio of center-to-center spacing of adjacent holes to the diameter of the effusi...     

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.      

气膜孔形状对排孔下游冷却效率的影响

 实验研究了气膜孔几何形状及吹风比对孔排下游的局部冷却效率的影响。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。结果表明 :圆锥形孔、簸箕形孔及圆柱形孔的最佳吹风比分别为 1.0,0.7及 0.5。当吹风比大于 0.7时,带有扩张型出口的气膜孔的冷却效率和冷却区域均优于圆柱形孔。