高致密多孔层板结构选型研究

针对6种高致密多孔层板结构,利用CFD软件进行流动与换热的数值模拟,分析了冲击孔、扰流柱以及气膜孔的排列方式对层板流动特性和冷却效率的影响。计算结果表明:6种不同的排列方式,总压力损失均为4.5%左右,其中气流流经冲击壁与气膜壁的压力损失为2.2%左右;不同结构的双层板当量流量系数在0.86左右;层板的排列方式对综合冷却效果影响较大,在其他结构参数不变的情况下,不同的排列方式之间的综合冷却效率最大差值达到10%,在流体流动方向上,各排列的气膜壁面的温度梯度由最初的21K/mm减小到15K/mm;综合考虑各项因素的影响,气膜孔呈梭形排布最优的排列方式,其综合冷却效率最好。     

孔阵排列和偏转角对多斜孔壁火焰筒冷却效果的影响研究

为了研究火焰筒上孔阵排列和偏转角对多斜孔壁冷却效果的影响规律,将多斜孔壁冷却结构应用到航空发动机的燃烧室火焰筒壁上,通过数值模拟研究了不同孔阵排列和不同偏转角的共6种多斜孔结构对火焰筒壁的冷却效果,包括有效温比和对流换热系数的比较。结果表明:在燃烧室上,孔阵排列对多斜孔壁冷却效果的影响与平板模型的规律一致,叉排孔阵排列优于顺排孔阵排列,孔排周向位移找到了冷却效果较好时的孔排周向位移值;在火焰筒前端,偏转角的选取应考虑到旋流器对流场的影响,而在火焰筒后端,偏转角为0°的冷却效果较好。      

双排气膜孔冷却热弹耦合特性的分析

利用多场耦合的计算方法,研究了带双排冷却孔的平板气膜冷却热弹耦合特性,系统分析了吹风比、排列方式、流向间距对温度场和热应力场分布的影响规律。研究结果表明,平板内部作用力的方向与孔排展向一致,热应力集中于气膜孔的前缘和尾缘。低温区的位置与吹风比的大小有关,同时低温区的位置也决定了热应力极值的位置。对于顺排布置而言,上、下游射流的相互干扰和冷气流量的分配不均是导致其冷却效果稍差的主要因素。当吹风比小于1.0时叉排布置的冷却效果总体较优,气膜孔内热应力明显较小;但当吹风比增大至1.5时,叉排布置相对于顺排布置的优势明显缩小。增大流向间距有利于均衡上、下游气膜孔的流量,也有利于降低平板的温度梯度和气膜孔内的热应力。     

液晶测温法对平板气膜冷却的实验研究

采用热色液晶测温法, 对沿流向倾角30°的圆孔排平板气膜冷却进行了实验研究.测量了绝热壁温、壁温等温度场.研究了吹风比、孔排等因素对气膜冷却效果和换热系数的影响.结果表明:吹风比对气膜冷却效果的影响很大, 冷却效果随吹风比的增大而降低;圆孔气膜冷却效果沿横向位置波动较大, 孔之间容易形成冷却死区.利用液晶测温技术可以很好地反映气膜冷却区域及冷却效果等.      

辐射换热对平板气膜冷却性能影响

为了分析辐射换热对平板气膜冷却性能的影响,分别对不考虑辐射换热(耦合计算)与考虑辐射换热两种条件下的平板隔热屏进行了三维流热耦合数值模拟研究,并与绝热壁(不考虑隔热屏固壁导热)的计算结果进行了对比。辐射换热采用离散坐标法。得到了3种不同主/次流总温比(Rt)条件下气膜冷却效果、流场、单位面积冷流体热负荷以及流量系数的对比结果与变化规律。结果表明:气膜冷却效果沿流向逐渐降低,且随总温比的增加而降低;在展向上气膜冷却效果呈现中间高两边低的分布规律,最大与最小相对值在绝热壁条件下达到最大,为94.5%,辐射换热次之,为13.5%,不考虑辐射换热时最小,为9.8%。与不考虑辐射换热结果相比,辐射换热对气膜冷却效果的影响在流动方向逐渐变大,气膜孔附近展向温度梯度增大,冷流体热负荷增加了92.8%,二者计算的流量系数相差不大,为1.1%,与绝热壁计算结果相比,流量系数减小了13.1%。随着总温比增加流量系数减小,最大值与最小值相差不大,为1.1%。     

带扰流柱内冷通道对表面气膜冷却特性的影响

为了讨论内冷通道结构对表面气膜冷却特性的影响,通过数值模拟的方法,计算研究不同结构下,冷气流过带有扰流柱内冷通道对表面气膜冷却特性的影响,并研究冷气通道与燃气掺混后的冷却效果;采用六种不同结构的扰流柱与气膜孔排列方式,计算中吹风比的范围为0．1〈M〈2．0。结果表明：冷气通道内的扰流柱对进入气膜孔的冷气起到稳定作用,比冷气通道内不加扰流柱的气膜冷却效果好,而且扰流柱与气膜孔不同的排列方式对气膜冷却效果有显著影响,因此选择合适的排列方式有利于气膜冷却。     

致密孔阵气膜冷却绝热温比和对流换热系数的数值研究

采用数值模拟方法研究了气膜孔叉排方式下孔间距和吹风比对致密孔阵气膜冷却绝热温比和对流换热系数的影响.结果表明:减小相邻孔间距与孔径比或增加吹风比,平均壁面温度就越低,且温度分布更为均匀,绝热温比提高,热侧壁面平均换热系数也随之增大;相对于增加气膜孔阵的密集程度而言,吹风比的增加所带来的绝热温比改善和对流换热系数增加幅度略有减弱.特别是当吹风比大于1以后,吹风比的影响程度比较微弱.      

弯曲多孔壁不同倾斜角气膜孔整体气膜冷却效率研究

对弯曲多孔壁气膜冷却整体冷却效率进行了深入研究.弯曲多孔壁由等曲率凹壁面多孔壁实验板来模拟, 实验研究了相同排列方式下2种不同小孔倾角方案整体气膜冷却效率, 分析了弯曲通道曲率对冷却效率的影响, 得到了沿流程的展向平均冷却效率及x/d=21.8和x/d=65.3处展向冷却效率分布.研究结果表明, 吹风比是影响凹壁面小孔气膜冷却效率的关键因素;随着吹风比的增大, 2种孔倾角冷却效率的差异变小;主流通道中气体的流动规律对冷却效率有较大影响.      

轴向收敛造型对燃气涡轮叶栅端壁气膜冷却性能的影响

为有效评估轴向收敛造型对端壁气膜冷却性能的影响,数值研究了不同吹风比下,轴向收敛造型对跨声速燃气涡轮叶栅端壁上游双排离散孔绝热气膜冷却效率的影响。模拟某工业燃气涡轮真实运行工况（进口湍流度为16%、出口马赫数为0.85、出口雷诺数为1.5×106）,采用基于“两类热边界条件”模型的壁面传热系数和绝热冷却效率数值预测方法,比较分析了3种吹风比（1.0、2.5、3.5）下,简化平板端壁结构和轴向收敛造型端壁结构的端壁热负荷分布、绝热气膜冷却效率分布和近端壁二次流场结构,以及端壁上游气膜孔射流对叶片表面的二次冷却作用（幻影冷却）。结果表明:轴向收敛造型可以削弱马蹄涡强度,降低端壁热负荷,尤其是叶片肩部区域;轴向收敛造型可以显著增加端壁气膜覆盖范围和绝热气膜冷却效率,尤其在叶片前缘和压力面等难以冷却区域;随吹风比增加,轴向收敛造型对端壁气膜冷却特性的影响效果先增加后减小,在设计吹风比为2.5时,轴向收敛造型对端壁绝热气膜冷却效率的增强效果最显著（增加约35%）;轴向收敛造型显著增加叶片前缘和压力面幻影冷却面积,尤其是叶片前缘附近面积增加约100%（设计吹风比下,冷却区域达0.1倍叶高）,可有效减小叶片冷却的冷气需求流量。轴对称收敛端壁造型是进一步提高燃气涡轮叶栅端壁绝热气膜冷却效率、减小冷气流量,实现端壁高效冷却布局的有效技术途径。      

多斜孔平板总冷却效率及其梯度分布试验研究

为了发展燃烧室先进冷却技术,在吹风比0.35～3.28下试验研究了多斜孔平板的总冷却效率及其梯度。研究所用的多斜孔平板具有与典型航空发动机燃烧室相似的交叉排列多斜孔布局,但采用低导热系数材料制成,以展示和分析多斜孔平板的传热过程。采用红外成像技术测量了多斜孔平板的表面2维温度场,从而获得壁面总冷却效率及其梯度的分布。试验结果表明:随着吹风比从0.35增大到3.28,多斜孔平板在充分发展区域的展向平均冷却效率从0.61先增大到0.70后减小到0.67,原因是总冷却效率实质上得益于多斜孔内部的对流换热和冷却气膜的覆壁保护作用。     

发散冷却与冲击/发散冷却的冷却效率对比

为了得到最佳的冷却结构,在相同冷却气量下对发散孔单层壁与冲击/发散孔双层壁冷却结构的冷却效率进行了试验研究.试验保证相同的发散孔排布规律、热侧与冷侧进气温度、冷却气量、热气量以及热冷侧之间的空气压降,使用红外热像仪对发散孔壁的热侧壁面温度进行测量以得到冷却效率,并对两种结构的冷却效率进行对比分析.试验结果表明:在相同冷却开孔面积、相同冷热气条件下,冲击/发散孔双层壁的冷却效率要比发散孔单层壁大约高30%,这归因于冲击/发散冷却方式存在更高的换热强化能力.      

缩扩孔对孔板气膜冷却效果的数值研究

从加强气膜孔内的换热量和孔板热侧的气膜覆盖两个角度来提高气膜孔壁的冷却效果,通过对气膜孔孔型的改进,提出了缩扩型气膜孔型结构,数值计算结果表明收缩进气可以强化孔内的对流换热;而扩张出气则可以使冷气出口的速度降低,气膜覆盖面更广,提高气膜的覆盖效果.与扩张孔相比,所提出的缩扩型孔在较低的吹风比下有利于改善冷却效果,而在大吹风比下则对冷却不利;然而与普通圆柱型孔相比,缩扩型孔在任何吹风比下均能改善冷却效果.      

利用横向槽改善气膜冷却效率的数值研究

为了获得横向槽对气膜冷却效率的影响规律,采用数值模拟方法分别研究了横向槽出口有无斜坡两种冷却结构形式在不同吹风比条件下的流动过程和冷却效率分布情况,并与常规气膜孔冷却结构形式进行了对比,以揭示横向槽对改善气膜冷却效率的机理。研究表明:在横向槽的作用下,射流向主流的垂直扩散受到抑制,二次流在流出横向槽后能更好的贴覆绝热壁面,提高了气膜冷却效率,并且横向槽出口有斜坡的气膜冷却结构在气膜孔中心线上的冷却效率最好。     

Numerical investigation of transcritical liquid film cooling in a methane / oxygen rocket engine

Transcritical film cooling was investigated by numerical study in a methane cooled methane/oxygen rocket engine.The respective time-averaged Navier-Stokes equations have been solved for the compressible steady three-dimensional(3-D) flow.The flow field computations were performed using the semi-implicit method for pressure linked equation(SIMPLE) algorithm on several blocks of nonuniform collocated grid.The calculation was conducted over a pressure range of 202 650.0 Pa to 1.2×107 Pa and a temperature range of 120.0 K to 3 568.0 K.Twenty-nine different cases were simulated to calculate the impact of different factors.The results show that mass flow rate,length,diameter,number and diffused or convergence of film jet channel,injection angle and jet array arrangements have great impact on transcritical film cooling effectiveness.Furthermore,shape of the jet holes and jet and crossflow turbulence also affect the wall temperature distribution.Two rows of film arranged in different axial angles and staggered arrangement were proposed as new liquid film arrangement.Different radial angles have impact on the film cooling effectiveness in two row-jets cooled cases.The case of in-line and staggered arrangement are almost the same in the region before the second row of jets,but a staggered arrangement has a higher film cooling effectiveness from the second row of jets.     

气膜孔布局对前缘气膜冷却效率影响的实验

针对叶片前缘结构的特点,建立了前缘气膜冷却实验台,实验模型由半圆柱面和两个平板组成,在距离滞止线2倍气膜孔直径距离位置布置了1排气膜孔。主流在前缘的湍流度为8%,二次流和主流密度比为1.5,动量比变化范围为0.5~4,分析了在不同动量比下气膜孔间距和径向角变化对径向平均气膜冷却效率的影响。径向角分别为0,°45,°65,°孔间距与孔径的比分别为2,3,4。研究结果表明,随着孔间距的增加,径向平均冷却效率逐渐降低。径向角对径向平均冷却效率的影响非常复杂。     

利用上游斜坡改善气膜冷却效率的数值研究

为了获得气膜孔上游放置斜坡对气膜冷却效率的影响规律,采用数值模拟方法研究了斜坡的台阶高度分别为0.3D,0.5D,0.75D,1.0D和1.5D时不同吹风比下的流动过程和冷却效率分布情况,并与常规气膜孔冷却结构形式进行对比,以揭示斜坡对气膜冷却效率改善作用的影响机理。研究表明,在气膜孔上游设置斜坡,延缓了主流通过反向涡对对冷却气流的掺混作用,反向涡对强度减弱,冷却气流出流后的贴壁效果更好,提高了气膜冷却效率,随着吹风比的增加,斜坡高度较高时无论是在气膜孔中心线处还是在两气膜孔之间区域的冷却效率值都得到大幅度的提高。     

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.      

弯曲段壁面冲击发散冷却效率的实验

为了研究回流燃烧室弯曲段采用冲击发散冷却结构形式对冷却效率的影响规律,设计了多种不同几何尺寸的计算模型,采用试验方式分别对其冷却效果进行了试验研究,得出了如下结论：（1）吹风比对冷却效率影响显著,随着吹风比的增大冷却效率升高。沿整个弯曲段冷却效率呈现先增加后减小的趋势,但是变化幅度很小。（2）弯曲段冲击发散冷却结构发散孔倾角对冷却效率影响很大,冷却效率随着发散孔倾角的减小而增大。（3）发散孔纵向间距小的发散孔板冷却效率高于纵向间距大的发散孔板的冷却效率。     

气膜孔形状对导叶冷却效果影响的数值研究

根据导向叶片的曲面结构,运用剪应力输运方程(SST)湍流模型,针对簸箕形、锥形和缝形气膜孔的流场和冷却特性同圆形气膜孔进行了对比研究.研究结果为:随着冷气入口压力的增加,各种冷却结构的冷却效果也在增加;而在相同的冷气入口压力条件下,各种形状气膜孔的冷却流量和冷却效果不尽相同,在该研究条件下,簸箕形和缝形气膜孔的冷却效果最好,锥形孔次之.