气膜冷却流场的实验研究和数值模拟的分析

用Ｘ型双丝热线探头对扇形气膜孔射流下游流场的测量结果表明，湍流因射流的注入而显著增强，并存在十分明显的各向非同性。传统的应力和速度梯度的涡粘关系仍然适用于气膜冷却流场，但应该在不同的方向上分别对湍流粘性系数进行修正。标准ｋ－ε湍流模型可成功地模拟孔内流动和流向倾角α较小时的掺混气膜冷却流场，但在α较大时的孔中线附近区域内的流场模拟是不成功的，并导致冷却效率的模拟失败。     

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.      

不同来流条件下旋转对气膜冷却的影响

大涡模拟考察了旋转状态来流条件对单孔平板气膜冷却的影响,气膜孔沿流向倾斜30°,气膜出流的雷诺数为2 600,吹风比为0.5,计算了静止和旋转数为0.02时气膜冷却的流动和换热,对比两种主流进口条件下旋转对气膜冷却的影响。计算结果表明：（1）均匀来流条件下,旋转主要使发夹涡结构产生非对称分布,裹挟气膜向高半径方向偏转;（2）充分发展的来流条件下,旋转使来流边界层内产生湍流结构,淹没了射流进入主流时产生的发夹涡,引起更强烈的射流扩散,增大了气膜覆盖范围,降低了气膜冷却效率的峰值;（3）旋转通过改变来流边界层内的湍流结构对气膜冷却的影响更显著。     

基于SST-DDES方法的孤立气膜孔流动研究

采用基于SST湍流模型的延迟分离涡模拟(DDES)方法,对吹风比为0.5的平板孤立方孔横流射流进行数值模拟研究,并与实验测量结果进行对比;同时,基于捕捉到的流场大涡拟序结构,分析了射流与主流掺混及损失机理。研究结果表明:气膜冷却流场中存在复杂的大涡拟序结构,这种强三维流动对冷气覆盖效果和掺混损失起主导作用;与传统的RANS和URANS方法相比,SST-DDES方法不仅在射流下游平均流场的预测方面具有更高精度,而且还能捕捉更加丰富的射流/主流掺混过程流场细节及其时空演化特性,将SST-DDES类RANS/LES混合方法的应用领域扩展到横流射流类复杂流动的研究中具有较好的可行性。     

带有前缘气膜冷却燃气轮机叶片的气热耦合研究(英文)

使用气热耦合数值计算方法对带有"淋浴喷头"式前缘气膜冷却的C3X燃气轮机叶片进行数值模拟。通过对使用不同湍流模型的计算结果与实验测量值进行对比,使用转捩模型能够比较准确的模拟带有气膜冷却射流的边界层内的流动和传热过程。气膜冷却射流在叶片吸力面上游层流边界层区域内表现出比较明显的三维湍流特性,但在吸力面下游边界层转捩为湍流以后,湍流使得气膜冷却射流与主流燃气掺混过程加速而使其三维流动特性迅速消失;在吸力面由于边界层流动始终为层流状态,冷却射流与主流掺混较缓慢而使其仍能保持较强的三维湍流特性。边界层内由高温燃气与被冷却叶片之间温度差形成的温度梯度有益于增强边界层流动的稳定性。     

旋转状态气膜换热机理的数值研究

大涡模拟研究了旋转对单孔平板气膜冷却的影响,气膜出流的雷诺数为2600,吹风比为0.5,计算了静止和旋转数为0.02两种状态的流动和换热,从湍流结构演化的角度讨论了旋转状态气膜换热的机理.结果表明:①发卡涡是决定气膜换热的主要湍流结构,旋转状态发卡涡的形状和运动规律主要受哥氏力的影响;②气膜在哥氏力作用下向高半径方向偏...     

肋角度对气膜冷却特性的影响

在光滑二次流通道的基础上,分析对比了两种带肋通道(135°肋和45°肋)对气膜冷却特性的影响.采用瞬态液晶测试技术获得了气膜孔下游表面传热系数比与气膜冷却效率分布.使用Fluent软件RANS数值方法对相应结构进行了数值模拟,并使用了realizable k-ε湍流模型.光滑二次流通道模型中,气膜孔内流线呈螺旋状分布,导致较大的孔内速度分离与流动损失.冷气射流分成两部分,其中一股形成一对偏斜的对转涡.135°肋结构中,二次流通道上部分的旋转涡为顺时针方向,使得气流易于流入气膜孔,气膜孔内流线呈直线分布.45°肋结构中,二次流通道上部分旋转涡为逆时针方向,增强了气膜孔内旋转涡.45°肋结构中冷气流入气膜孔之后的流动结构与光滑二次流通道结构相似.135°肋结构气膜冷却效率最大而表面传热系数比最低.     

涡轮叶片前缘气膜冷却数值模拟

对具有双排气膜孔的涡轮叶片前缘进行了气膜冷却数值模拟,在吹风比M为0.5,1.0的情况下得到了相邻两排孔的流场和气膜冷却效率的分布规律,并将计算结果与实验进行了对比分析.结果表明:①在不同的吹风比下,两排孔的冷气射流运动非常复杂,冷却效率沿流向的分布都是非线性的;在M为1.0时,25°的小角度喷射气膜冷却效果较好.②利用两层k-ε湍流模型比传统的k-ε湍流模型数值预测的精确度高,可较好地模拟叶片前缘的气膜冷却特性.      

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.      

液体火箭发动机推力室冷却通道流动与传热数值研究

采用气固耦合算法对液体火箭发动机推力室再生冷却通道的流动与传热过程进行了三维湍流流动与传热数值模拟，冷却工质为氢气，其密度、导热系数、动力粘度随着温度和压力而变化。应用大涡模拟及标准k-ε双方程模型两种湍流模型分别进行数值模拟，详细揭示了再生冷却通道固体区和流体区内的速度场和温度场，并在不同的计算网格数目下对两种湍流模型的计算结果进行了对比。结果表明，在相同的网格条件下，标准k-ε双方程模型与实验数据的吻合精度比大涡模拟模型更好，且满足工程计算精度。随着网格数的增加，大涡模拟的计算精度逐渐得到改善。     

钝头双锥喷流致冷流场结构及密度脉动特性

采用大涡模拟方法对钝头双锥喷流致冷流场开展了数值模拟,研究了超声速喷流混合流场结构特征及密度脉动特性。大涡模拟方法基于隐式亚格子模型,空间离散采用高精度通量限制型紧致格式,时间推进采用显式Runger-Kutta方法。数值模拟清晰地捕捉到了流场波系结构,精细地预测了流动发生失稳、转捩以及发展为充分发展湍流的物理过程,直接获得了流场密度脉动特性。通过有、无喷流状态对称面流场的对比,发现超声速喷流能够有效冷却光学窗口;喷流与主流形成的混合层不稳定,很快发生失稳和转捩,形成大尺度湍流结构,进而引起强烈的密度脉动。此外,获得了钝头双锥整体模型喷流致冷流场的空间发展形态特征。      

旋转对气膜冷却影响的大涡模拟

采用大涡模拟,考察了旋转影响气膜冷却的物理机制。参考实验模型,用带有30°倾斜圆柱孔的平板模拟涡轮转子叶片的吸力面,冷气出口雷诺数为1300,冷气和主流的吹风比为0.5,计算了静止和旋转数为0.2两种条件下的流动和换热,全面展示了旋转对平均流场、涡量、湍流结构和壁面温度分布的影响,并由此对实验现象进行了解释。结果表明,旋转使气膜孔下游的对转涡对产生不对称性;旋转引发的哥氏力使气膜冷却流场中的发夹型漩涡结构向高半径方向偏移,引起涡量分布的改变;旋转破坏了发夹涡的连续性,减少了对主流的卷吸和主流传递给冷气的热量,从而提高了冷却核心区的冷却效率,与实验中观察到的现象一致。     

收缩-扩张形气膜孔提高气膜冷却效率的机理研究

为了揭示收缩-扩张形孔提高气膜冷却效率的机理,选择了两种典型的气膜孔:圆柱形孔和扇形孔,进行了数值模拟对比研究.湍流模型选取Realizable k-ε模型,壁面函数采用增强壁面函数.结果表明:圆柱形孔射流法向动量很大很集中,生成了较强的耦合涡,冷却效率最低;扇形孔减弱了射流的法向动量,并产生了一定的展向速度,冷却效率得以提高;收缩-扩张形孔减小了射流的流向厚度,增大了射流的展向宽度,且产生了更大的展向速度,扩大了射流的覆盖区域,形成了与圆形孔及扇形孔射流相比作用相反的耦合涡,使气膜更好地贴附于壁面,气膜冷却效率高于其它两种孔形的效率;相对于圆柱形孔和扇形孔,收缩-扩张形孔的平均气膜冷却效率,在吹风比为0.5时,分别提高了约110%和15%,在吹风比为2时,分别提高了约560%和60%.      

应用各向异性湍流模型对气膜冷却的数值研究

应用引入各向异性系数的k-w湍流模型和标准k-ε模型,对平板气膜冷却经典实验进行了数值研究,分析了各向异性系数的引入对气膜孔下游流场与温度场的影响机理,探讨了该系数的适用性问题.研究表明:①展向各向异性系数的引入,增加了流体在展向的湍流脉动,强化了气膜冷气沿展向的扩散;②各向异性模型的计算结果在低吹风比(M=0.5)的工况下与实验值符合得较好;③各向异性系数在气膜脱离壁面与主流掺混的区域适用性较差.      

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.      

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...     

湍流度和吹风比对叶片前缘双出口孔射流冷却效率影响

为了探讨湍流度对一种新型气膜孔射流气膜冷却影响,利用商业软件提供的有限体积法求解N-S方程,对湍流度分别为0.4%、10%和20%时的双出口孔射流冷却效率进行数值模拟。吹风比变化范围为0.5到2.0。首先将圆柱孔射流冷却效率计算结果和实验数据进行了对比,二者吻合较好。计算得到了双出口孔射流气膜冷却下的流场、径向平均冷却效率。结果表明,湍流度和吹风比对冷却效率都有较大影响。湍流度为0.4%和10%时,最高冷却效率在吹风比1.0时获得;湍流度30%时,最高冷却效率在吹风比2.0时获得。吹风比0.5和1.0时,冷却效率随着湍流度的增加而降低;吹风比2.0时,冷却效率随着湍流度的增加而增加。