不同射流角下等离子体激励对平板气膜冷却影响的数值研究

采用大涡模拟（LES）方法对有/无等离子体激励条件下不同射流角时的平板气膜冷却流场进行了对比研究。结果表明:随着射流角的增大,冷却射流对主流的穿透率与气膜孔下游回流区的范围增大,发卡涡的强度及其抬升射流的能力增强并远离壁面,导致气膜冷却效率降低,但射流角为90°时部分低能冷却流体会进入回流区引起气膜冷却效率升高,故气膜冷却效率在射流角为35°时最大,在射流角为60°时最小;等离子体激励削弱了冷却射流对主流的穿透率,其下拉诱导作用也使得发卡涡头部受到的库塔 儒科夫斯基升力以及水平涡腿间的相互诱导力减小,抑制了发卡涡的发展并促使其破碎为近壁条带结构,从而提高了气膜冷却效率,且射流角越小,上述作用效果越明显,当射流角为35°时中心线气膜冷却效率提高了55%。      

锯齿电极等离子体激励器对气膜冷却效率影响的数值研究

为获得锯齿电极等离子体激励器提高气膜冷却效率的机理,对有/无锯齿电极等离子体激励器作用下的平板气膜冷却流场进行了数值研究,并采用唯象模型模拟锯齿电极等离子体激励器对流场所施加的电场力。结果表明,冷却射流在锯齿电极等离子体激励器的下拉诱导作用下对主流的穿透率降低,射流中心轨迹高度的下降幅度沿流向发展逐渐增大;锯齿电极等离子体激励器气动激励作用下气膜孔下游的肾形涡的强度与尺度均减小,同时肾形涡的两侧产生与其旋转方向相反的小尺度的反肾形涡,进一步抑制了肾形涡的发展;锯齿电极等离子体激励器产生的展向扩散效应提高了冷却射流的展向扩张能力,从而提高了气膜冷却效率,与无等离子体气动激励相比,锯齿电极等离子体激励器作用下平板中心线与展向平均气膜冷却效率分别提高了50%与200%。     

马蹄形等离子体激励器强化气膜冷却效率机理

为揭示马蹄形等离子体激励器产生的等离子体气动激励提高气膜冷却效率的机理,选取常规圆形气膜孔冷却结构进行了数值模拟比较.结果表明:马蹄形等离子体激励器产生的等离子体气动激励效果可以使射流具有展向扩张能力,肾形涡对的大小及强度得到显著改变,同时受等离子体气动激励产生的下拉诱导和水平加速效果影响,射流贴壁性及覆盖区域大大提高,冷却效率得到强化;相对于圆形气膜孔冷却效果,马蹄形介质阻挡放电气膜冷却结构在吹风比为0.5,1.0和1.5时,冷却效率值相差最大处分别提高了165%,148%和500%.      

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%.      

“月牙形凸台+等离子体激励器”结构改善气膜冷却效果的数值研究

利用等离子体激励器作为改善气膜冷却效果的方法在近年来得到了初步研究,但现阶段改善程度依然有限.提出“月牙形凸台十等离子体激励器”新型气膜冷却结构,通过CFD计算方法分析常规圆形孑、带月牙形凸台和带等离子体气动激励等不同气膜冷却结构的流场特性、温度场特性和冷却效率.结果表明:在圆形孔气膜冷却结构中,流场中形成了肾形涡对,由于肾形涡对使得冷流抬离壁面以及卷吸热流的作用,壁面的冷却效果最差;冷流经过等离子体激励器或月牙形凸台后,流场产生了反肾形涡对,抑制了肾形涡对的结构尺寸和强度,与圆形孔气膜冷却结构相比,气膜冷却效果在展向和流向上得到较大改善;在“月牙形凸台十等离子体激励器”气膜冷却结构中,冷热流掺混后形成的反肾形涡对强度最大,并且显著提高了孔间区域的冷却效率,在各吹风比下气膜冷却效果最佳.     

等离子体气动激励复合横向槽结构提高气膜冷却效率的数值研究

基于横向槽结构和等离子体气动激励的新型流场调节方法,采用RNG k-ε湍流模型,数值计算分析了常规圆形孔、带横向槽以及带等离子体气动激励等不同气膜冷却结构的流场特性、温度场特性和冷却效率,揭示了等离子体激励器复合横向槽新型气膜冷却结构的冷却机理及规律。结果表明:圆形孔气膜冷却结构,气膜孔出流与主流混合强烈,在流场中形成了肾形涡对,冷流被逐渐抬离壁面,热流被卷吸到冷流下方,壁面的冷却效果最差;冷流经过等离子体激励器的气动激励后,产生了反肾形涡对,使得肾形涡对的平均涡量减小了42.64%,同时诱导冷流贴壁流动;横向槽的存在使得气膜孔出流在展向分布更宽,更贴近壁面,肾形涡对的强度较弱;在横向槽和等离子体气动激励的共同作用下,反肾形涡对的强度最大,使冷流的展向分布区域更大并贴近壁面流动。与圆形孔气膜冷却结构相比,在吹风比M=1.0下,带等离子体激励器、带横向槽和"等离子体激励器+横向槽"等三种气膜冷却结构的全局平均气膜冷却效率分别提高了181.6%,73.5%和200.5%。     

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.      

双排孔顺-逆射流组合方式对气膜冷却的影响

为了挖掘逆向射流气膜冷却潜力,数值模拟研究了顺向射流和逆向射流不同组合方式的双排孔气膜冷却叠加特性。吹风比变化为0.3～1.4。结果表明,展向平均气膜冷却效率数值模拟结果与实验值偏差小于9%。逆向射流在气膜孔出口产生的回流涡强化了气膜展向扩散,吹风比越大,强化效果越明显。吹风比为1.4时,与顺向射流+顺向射流组合结构的叠加区气膜冷却效率相比,上游顺向射流+下游逆向射流组合结构展向平均气膜冷却效率提高17%～233%,面平均气膜冷却效率提高64%;逆向射流+逆向射流组合结构展向平均气膜冷却效率提高0～410%,面平均气膜冷却效率提高62%;上游逆向射流+下游顺向射流组合展向平均气膜冷却效率提高16%～70%,面平均气膜冷却效率提高44%。     

不同气膜冷却孔的流动和传热的实验比较研究

对流向倾角、锥顶角 (扇形角 )的扇形气膜冷却单孔射流下游的流动和传热进行了详细的实验研究 ,并与相同实验条件下圆孔射流的测量结果进行了比较。结果表明 ,扇形喷孔下游的速度边界层等值线具有两种基本的分布形态 ,即使在高吹风比 M =2 .0时 ,扇形喷孔射流的下游 ,也没有明显大于主流速度的射流区域出现 ,射流下方低速区域中的速度亏损也较圆孔小得多。同时 ,喷孔两侧边缘处在吹风比M 1.0时 ,沿流向形成了一对转向相反、强度较弱的纵向耦合涡。在相同的吹风比下 ,扇形喷孔出口面积的增大能够有效地降低耦合涡的强度和速度(V、W)分量 ,从而提高了气膜冷却效率 ,尤其是提高了喷孔两侧下游位置上的冷却效率     

激励强度对等离子体合成射流的影响

通过在Navier-Stokes方程组中添加体积力源项的方法,模拟了不同激励强度下等离子体合成射流,并研究了激励强度对流场特性的影响。计算结果表明,随着激励强度的增大,激励器附近壁面处的涡量增大,对应的涡对中心诱导的流向速度增大,从而导致涡核更加远离壁面,并被拉伸变长。对于等离子体合成射流的时均流场,其中轴线上的流向速度随着激励强度增大整体变大。在较小的激励强度下,射流半宽度随着激励强度的增大而增大;而激励强度很大时(>6 Dc0),激励强度对半宽度基本没有影响。沿流向的动量通量也随激励强度的增大单调增加。