高热流密度燃烧室壁面阵列空气射流-燃油组合冷却结构研究

针对高热流密度燃烧室壁面热防护需求，提出了一种空气阵列射流冲击和燃油冷却肋板的集成冷却方式，在射流平均雷诺数Re_j为1×10⁴~3×10⁴，燃油进口流速v_f为2.33～5.23m/s内，采用数值模拟方法对其传热特性进行了研究，并基于壁面加热侧当量对流换热系数的概念，分析了基准肋板以及燃油冷却肋板的传热增强作用。与无肋板靶面的阵列射流冲击相比，带肋板阵列射流冲击的面积平均当量对流换热系数是前者的1.6倍，压力损失系数相对提高了约25%；采用燃油冷却肋板，加热壁面综合传热能力进一步增强，在Re_j=1×10⁴时，采用燃油冷却肋板的面积平均当量对流换热系数是基准肋板的1.5倍以上，即使在Re_j=3×10⁴时，燃油冷却肋板的传热增强比也可以达到1.2；燃油冷却肋板的出口温度相对进口温度的提升在20~50K内，其提升幅度随着射流雷诺数或燃油进口流速的增大而减小。     

微尘沉积形貌对冲击气膜冷却结构换热特性影响的数值研究

带有微尘的空气进入航空发动机,极易在涡轮叶片内冷通道发生沉积。为探究微尘沉积形貌对涡轮叶片内冷通道换热特性的影响,选取冲击气膜冷却结构,基于微尘沉积实验结果,构造微尘沉积形貌,由锥状突起和环状突起组成,通过数值模拟获得不同射流雷诺数下冲击靶面努塞尔数Nu。研究结果表明,冲击靶面微尘沉积层的出现,将大幅降低浸润面积平均努塞尔数Nuwetted,而对映射面积平均努塞尔数Nuavg影响较小;冲击驻点周围的高换热区范围减少;相邻冲击孔中点附近的高换热区努塞尔数Nu增大;此外,射流雷诺数的增大整体上提高了冲击靶面的换热强度。由于锥状突起和环状突起的扰动作用, 壁面附近回流涡增多, 使得冲击靶面大部分区域温度边界层厚度增加,因此换热性能降低。     

针板结构内壁面的换热特性研究

应用瞬态液晶测温技术对一种层板（针板）内壁面进行了详细的换热特性研究,实验分别测量了孔间距与冲击孔径比（S/D）为3.2,4.5和5.9,冲击雷诺数Re范围为10 000～40 000下的内表面换热特性,同时和传统层板换热特性进行了对比分析.研究结果表明:针板内壁面平均传热系数随着Re的增加而增大,随着孔间距增大而减小;同时给出了靶面和冲击面的平均努塞尔数Nu与冲击雷诺数Re及孔径比S/D的数学拟合准则式.      

双层壁冷却结构中多排射流冲击冷却的换热和流阻特性

采用稳态热敏液晶技术对双层壁冷却结构中的多排（包括顺排和叉排）射流冲击冷却结构进行了风洞实验,同时结合数值模拟的方法,对两种射流冲击冷却结构的传热和流阻特性的差异进行了研究。实验结果表明:流量系数和冲击靶板上的努塞尔数均随着雷诺数的增大而增大,而冲击孔的排布方式对面平均努塞尔数的影响较小,但是叉排结构的流量系数高于顺排结构,且冲击靶板上换热更加均匀。数值结果显示冲击靶板中心区域的流量分配和换热均随着冲击距离的增大而增大;而在下游区域内恰好与之相反。      

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。     

楔形通道内带角度射流冲击换热特性研究

为了获得某型发动机支板内通道冲击射流的换热特性，采用热色液晶全表面瞬态测温技术对楔形通道内表面进行换热实验。研究了射流雷诺数、射流角度和出口缝的位置对努塞尔数的分布和大小的影响。射流雷诺数的变化范围是6.3×103～15.9×103，射流角度的变化为0～30°。研究表明:射流雷诺数的增加，射流角度的增大均会使得平均换热效果增强。在射流角度0～15°内，出口缝离射流入口越近，壁面换热越强。射流斜吹情况下，被冲击面的努塞尔数要高于未被冲击面。其中，射流角度30°时换热的不对称性最显著。在射流角度为15°时，支板前缘的换热效果最强。     

带射流的收缩型通道内部换热特性液晶瞬态实验

将航空发动机进气道支板冲击腔简化和放大为一带射流的收缩型通道,并采用最新窄带热色液晶全表面瞬态测温技术对其内表面进行冲击换热实验,具体研究了射流雷诺数、孔径及孔间距变化对努赛尔数分布及大小的影响。实验结果表明:射流雷诺数的增大、孔径的增大及孔间距的减少均使通道内部换热得以加强,但努赛尔数分布的变化及平均努赛尔数的增幅不尽相同;并且侧壁换热受孔间距影响最大,前缘换热则受射流雷诺数的影响最大。     

横流对冲击射流换热特性影响机理的数值研究

采用数值模拟的方法对冲击腔上游冲击产生的横流对下游冲击射流的影响进行了研究.结果表明,①随横流增大,射流冲击靶面平均努塞尔数呈现复杂的变化规律.②横流对冲击靶面平均努塞尔数的影响主要体现在两个方面:随横流雷诺数增大,冲击下游的拉伸涡对强度呈现先增大后减小的趋势,对换热的影响也是先增大后减小;横流使冲击射流偏移,导致高换...     

带凹坑楔形通道内射流冲击换热特性实验

为了获得发动机进气道支板的热气防冰特性，采用热色液晶全表面瞬态测温技术对带凹坑楔形通道内表面开展冲击换热实验。研究了射流雷诺数，凹坑间距，射流入口到凹坑的距离和凹坑排数对壁面努塞尔数分布和大小的影响。结果表明:带凹坑壁面的平均换热效果要强于光滑壁面，两者的努塞尔数均随雷诺数的增加而增大。壁面的局部努塞尔数在凹坑尾缘出现一个峰值，凹坑间距越小，侧壁的平均换热效果越强。在小雷诺数时，凹坑的位置靠近出口缝，能够较大的增强侧壁的换热；在较大雷诺数时，凹坑位置越靠近前缘，则越能增强前缘的换热效果。当凹坑的排数增加，壁面的平均努塞尔数增大。      

旋转对冲击射流流动及换热影响的数值研究

为了探究旋转对动叶前缘冲击射流流动及换热的影响机制,采用数值模拟的方法对比分析了静止条件和三种不同旋转转速下的流场结构与换热情况。结果表明:冲击靶面的平均努塞尔数随转速的增大而减小,最高转速下,靶面平均努塞尔数下降约16%。另一方面,压力面和吸力面侧对旋转的敏感性不同。高转速下,换热的削弱主要集中在吸力面和压力面无量纲弧长s/d小于2的区域,压力面s/d大于2区域的换热略有增强;旋转对流场结构产生了明显的影响,旋转改变了射流孔的流量分配,在科氏力的作用下,射流向压力面偏转,这种特征随转速的增大而更加显著。另外,旋转通道内的离心力改变了局部横向流强度。      

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。     

小空间内冲击/气膜复合冷却换热特性试验

利用相似理论的原理, 试验研究了封闭小空间内冲击/气膜复合冷却内表面的换热特性.研究中通过改变冲击Re数（1000040000）、冲击距离H和冲击孔直径D之比H/D（0.172.0）, 在2种冲击孔和气膜孔间距P和冲击孔直径D之比P/D（0, 1）条件下, 细致分析冲击Re数、H/D对复合冷却内表面局部换热特性的影响.结果表明, 在本文的试验工况中, 冲击靶板上的局部Nu数随着冲击Re的增加而不断变大, 而Nu数随着H/D的变化规律并非单调.当P/D=0, H/D=2时换热效果达到最佳;P/D=1时, 在X/D=±3范围内, 小冲击Re数条件下H/D=0.17和H/D=2的换热效果比较接近, 大冲击Re数条件下H/D=1和H/D=2的换热效果比较接近.      

密集型阵列冲击射流换热特性实验

设计了多种不同几何参数的阵列射流冲击孔实验件,利用红外热像仪对其冲击冷却进行了热像显示实验,获得了冲击射流雷诺数和几何参数对局部对流换热特性的影响规律.结果表明:①对流换热系数随着射流雷诺数R_ej的增加而逐渐增大;②随着孔间距的或者冲击间距的增大,冲击冷却的对流换热效果逐渐减弱;③当孔间距与孔径之比在3～5时,顺排阵列射流的强化换热效果优于叉排,而当孔间距与孔径之比为2时,在阵列射流上游叉排排布的强化换热效果优于顺排,而在下游则顺排排布的强化换热效果占优.      

斜向冲击强化换热特性试验

针对某型发动机主动间隙控制系统中典型冷却结构——45°斜向射流冲击,利用热膜法和红外热像仪测试技术,开展了局部强化冷却特性试验研究,分析了冲击雷诺数Re(33297～83242)、斜向冲击间距比H/d (2～6)等参数对冲击靶板表面局部换热特性参数Nu及Nu的影响.试验中发现位于驻点处和下游附驻点区出现了两个Nu峰值,当冲击Re较大、斜向冲击间距比H/d较小时,该现象尤为突出.试验结果表明:随着冲击Re的增大,靶板局部强化换热效果显著提升,Nu和Nu均显著增强;随着H/d的减小,驻点区域局部强化换热效果逐步提升,但增加幅度微弱;而在远离驻点区域,特别是在第二个峰值位置,冲击间距减小使得冲击强化换热效果明显增强.      

旋转半受限单孔冲击局部换热特性实验

利用热膜法测量局部换热系数Nu,对旋转条件下半受限冲击射流的换热特性开展了实验研究.通过改变冲击雷诺数Re(20 00035 000)和旋转数Ro(00.003 441)等参数,讨论了旋转状态对半受限单孔冲击换热特性的影响.实验结果表明:旋转显著影响了冲击靶面的局部换热系数分布规律.在实验工况范围内,靶面局部(平均)Nu数均是先随着旋转数Ro的增加而增强,后又随着旋转数Ro的增加而减小.实验中还观察到同静止情况相似,旋转条件下半受限冲击射流的冷却效果也是随着冲击Re的增加而不断提高.      

双层壳型涡轮叶片中冲击旋流换热增益效果试验

以双层壳型涡轮叶片内冷通道中旋流换热特性为研究对象,采用热膜法,对双层壳型冷却结构中的狭小受限通道中,旋流作用下换热特性的变化规律开展了细致的试验研究。重点分析了冷却空气的旋流作用对换热的强化增益效果。试验中通过改变冲击Re数(10 000～20 000),冲击间距和冲击孔直径之比H/D(0.35～1.7)等参数,研究了其对旋流的形成及内表面局部换热系数的影响规律。研究发现:由于双层壳型叶片内冷通道的空间受限,冷却空气在通道内形成了旋流结构,该旋流结构显著影响了内表面的局部换热系数并可以有效提高换热效果。研究结果表明:内表面局部换热系数对冲击间距和冲击孔直径之比H/D最为敏感,对于不同冲击Re数,存在一个最佳的H/D使得旋流换热增益效果达到最大(Re=10 000时,最佳H/D为0.95;Re=15 000,20 000,最佳H/D=0.63)。     

小间距冲击凹柱面靶板换热特性实验

利用热膜法,实验研究了小间距下单孔冲击受限凹面靶板的局部换热特性。通过改变冲击Re数(20 000~30 000),冲击间距和冲击孔直径之比H/D(0.2~1.0)等参数,重点分析冲击靶面周向和轴向的局部换热系数及其分布规律。结果表明:小冲击间距工况下,由于滞止区内高压区作用,气流被加速,靶面轴向上出现除滞止点以外的第二个强化换热峰值,并且随着冲击间距的减小,该效应越加明显;当H/D较小时,由于冲击导管端壁表面的限制,冲击射流在凹面靶板的周向形成冲击射流,显著提升了周向的局部换热效果,周向上也出现了二次强化换热峰值。随着H/D的增加,周向二次强化峰值迅速消失。实验中当H/D=0.2时,凹面靶板的换热效果达到最佳。     

层板结构内部换热特性的研究

 在已研究流阻特性的基础上,通过改变扰流柱柱高、柱形,对两种类型结构的层板进行内表面换热系数的测量、分析。层板内表面上的换热系数随冲击距离的减小而增大,随冲击孔间距的增大而减小。方形扰流柱的换热情况要稍好于菱形扰流柱、圆形扰流柱,并且柱子高低对流场影响很大,尤其是C 型绕流方案。基于换热体积和换热面积之比特性尺寸的努谢特数与冲击雷诺数之间成对数线性关系,并整理出准则关系。     

微阵列射流冲击肋化表面传热特性

以去离子水为工质,对微阵列射流冲击光滑和肋化表面的传热特性进行了实验研究,并以光滑表面传热性能为基准,讨论了肋化表面强化因子(ε)变化规律.实验结果表明:①浸没和自由射流的传热系数均受无量纲射流距离(H/d)影响;提高射流Re数和减小无量纲孔间距(S/d)都能够增强换热.②浸没射流ε受H/d影响大,而自由射流ε基本不受H/d影响;两种射流方式的ε都随Re数增大,且渐趋于一个常数.③对流热阻在各种射流情况下均随流量不断下降,但下降趋势逐渐平缓,当流量大到一定时,热阻基本不再降低.