多种气膜冷却形式下轴对称矢量喷管壁温计算研究

航空发动机矢量喷管的冷却结构设计是研究矢量推进技术应用的关键问题之一。针对某偏转20°轴对称矢量喷管隔热屏采用的十种气膜冷却结构,建立基于壁面传热的热平衡方程,采用牛顿-拉斐尔森迭代法得出十种冷却结构下壁面及隔热屏的温度。其中气膜冷却采用有效温比经验公式计算,燃气辐射采用封闭腔净辐射分析法计算,并把本文计算的壁温与文献结果进行对比分析。结果表明:隔热屏对喷管收敛段有很好的冷却作用,采用气膜冷却可显著降低其温度;相对于受隔热屏保护的收敛段而言,喷管扩张段的受热形势较为严峻,温度更高,其冷却有待加强。     

缝槽平板振动气膜冷却数值仿真研究

为了分析缝槽平板振动气膜冷却传热规律,采用基于Reynolds Averaged Navier-Stokes(RANS)和Detached-Eddy Simulation(DES)的CFD动网格仿真分析方法,研究了不同振动频率、不同振幅、不同吹风比及剪切涡结构振动的绝热壁面有效温比。结果表明:(1)在低频(f=100Hz)下,振动有利于提高换热面绝热壁面有效温比;但在高频(f=10kHz)下,振动降低了换热面绝热壁面有效温比。(2)相比频率,振幅对绝热壁面有效温比影响更大;在中频(f=1kHz)下,振动绝热壁面有效温比小于稳态绝热壁面有效温比;不同吹风比(M=0.7,1.2,1.9)对绝热壁面有效温比影响趋势基本一致。(3)相比基于RANS的振动仿真方法,基于DES的振动仿真方法能更详细地模拟混合层剪切涡结构流场信息,能更好地反映剪切涡结构对壁面换热效果的影响。     

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.      

基于伴随非等温射流理论的缝槽气膜冷却模型

在伴随非等温射流基础上发展了一种适用于缝槽气膜冷却绝热温比预估的数学模型.通过合理假设推导出二维壁面射流混合层核心温度分布规律,将其作为气膜绝热壁温,并考虑缝槽几何特征参数和气膜吹风比对冷却效率的影响,得到绝热温比计算公式.用试验数据对该预估模型进行拟合分析,得到了与试验数据拟合精度在±8%以内的半经验预估模型,证明该模型的可行性和应用潜力,并需要更多的试验数据对其进行验证和改进.      

燃烧室主燃孔下游气膜绝热温比研究

对单个主燃孔射流下游的缝槽气膜绝热温比进行的实验研究中，采用了CO2传热传质类比方法测量气膜的绝热温比，考虑了三种气膜吹风比和两种主燃孔射流动量比，研究结果表明：主燃孔射的引入破坏了气膜的完整性，相对于正常气膜的绝热温比值，主燃孔射流正下游区域的气膜绝热温比大幅度下降，在横向偏离主燃孔射流较远的下游区域，气膜绝热温比有一定程度的下降；气膜吹风比对气膜绝热温比的下降有较大影响，而主燃孔射流对气膜绝热温比下降影响小。     

超声速气膜冷却数值模拟

应用SST k-ω湍流模型,对三维粘性掺混流场进行了数值模拟,得到了切向入射的超声速气膜在不同吹风比和冷却通道下的绝热温比分布.计算结果表明:吹风比是决定超声速气膜冷却效果的重要因素,吹风比增大,冷却效果随之提高;冷却通道不同,冷却效率的分布规律也不同,矩形孔在出口处存在冷却效果较低的区域;离散孔冷却通道在下游和冷却通道中间线上的冷却效果存在明显差异,侧向倾角的引入使这种差异消失;扩散孔和侧向倾角两种结构上游冷却效果好,但下游衰减更快;引入的评价参数可以为比较不同的气膜冷却方式提供参考.      

气膜孔内局部堵塞对气膜冷却特性的影响

在吹风比为0.3~1.5,堵塞比为0.1~0.5范围内,对平板上单排倾斜气膜孔内局部堵塞所引起的冷气射流流动和冷却特性变化进行了数值研究,分析了堵塞比、堵塞位置和吹风比对绝热气膜冷却效率的影响.在研究参数范围内的研究结果表明:气膜孔出口端前缘的局部堵塞有利于抑制肾形涡,对气膜孔下游的绝热气膜冷却效率有改善作用,并且随着堵塞比和吹风比的增加,对冷却效果的改善越为明显.而在气膜孔出口端尾缘或侧边的堵塞则在较大的堵塞比下削弱气膜冷却效果.相对于气膜孔出气端的局部堵塞,在气膜孔进气端和中部的堵塞对绝热气膜冷却效率的影响要微弱得多.     

密度差和速度比对单排孔气膜冷却效率的影响

采用传热传质类比的方法研究主射流密度差和速度比对单排孔平板气膜冷却效率的影响.密度比为1时射流为空气, 密度比为1.5和2.0射流为异质气体, 射流与主流的夹角为35°, 孔间距为3倍的气膜孔直径.结果表明:当速度比较小时, 射流在被保护壁面上的铺展由扩散控制;当速度比较大时, 铺展由对流控制.在较低速度比条件下, 随着吹风比的增大, 横向和纵向的铺展都增加, 有效保护范围面积增加;高速度比条件下, 射流的再附点随着动量比的增大而更向下游.      

不同缝槽进气孔间距的纯气膜绝热温比试验研究

通过传热试验法对不同缝槽进气孔间距的纯气膜冷却效率进行研究。研究所用气膜缝槽结构无收缩,进气孔与舌片垂直。试验中主流湍流强度在10%以上,测量气膜绝热壁温以确定其重要冷却效率描述参数——绝热温比。试验结果表明:缝槽进气孔间距对气膜冷却效率影响很大,减小进气孔间距,可以减小缝槽几何特征参数MIX_N,明显提高气膜的绝热温比。      

小孔辅助结构影响气膜冷却效果的实验

采用稳态液晶测温方法,详细研究了具有辅助小孔的分叉孔和大小孔的冷却效率分布规律,并与圆柱孔和扇形孔进行对比,分析小孔辅助结构对气膜冷却效果的影响.实验参数:主流雷诺数为2900,吹风比为0.3~3.0,密度比为1.06.结果表明:所有工况下,小孔辅助结构均在一定程度上提高气膜冷却效果,吹风比越大,对气膜冷却效果的改善就越明显,并且大小孔的冷却效率始终高于分叉孔.扇形孔只在吹风比大于1.0时,才起到改善气膜冷却效果的作用.      

旋转状态下气膜冷却特性的数值研究

 通过对带有气膜孔倾斜角度为30°,60°和90°圆柱形交错孔排的涡轮叶片模型进行数值模拟,得到了不同平均吹风比、雷诺数和旋转数情况下前缘面侧与后缘面侧的气膜冷却流动与换热特性及各气膜孔流量系数的分配规律。结果表明,冷气受到离心力与哥氏力的共同作用在前缘面侧向高半径处发生偏转,导致壁面冷却效率降低;雷诺数的增大会降低壁面上的气膜冷却效率,高吹风比则不利于紧贴气膜孔下游区域的冷却;各气膜孔的流量系数随着平均吹风比的增大而增大,随旋转数的提高而减小;受哥氏力作用的影响,相同工况下后缘面侧各气膜孔的流量系数明显高于前缘面侧对应气膜孔的值。     

涡轮叶片吸力面上收敛缝形孔气膜冷却效率的数值研究

运用RNG湍流模型对叶片吸力面开设收敛缝形孔的冷却特性进行了数值模拟,分析在叶栅通道主流入口雷诺数Re=4×105~6×105和二次流吹风比M=0.5~3.0范围内,沿吸力面3个典型弦向位置处(分别对应叶栅通道喉部上游、喉部和喉部下游)开设收敛缝形孔对气膜冷却效果的影响。计算结果表明:各位置处收敛缝形孔吸力面的冷却效率随着吹风比和主流入口雷诺数的增大而逐渐升高;与圆形孔相比,各位置处收敛缝形孔沿流向的冷却效率均得到有效改善,且在展向上的分布较均匀;在相同的主流入口雷诺数和二次流吹风比下,位于喉部上游位置的收敛缝形孔冷却效率大都高于其他位置。     

旋转对曲率表面气膜冷却效率影响的数值研究

通过对旋转状态下曲率通道的气膜冷却现象的流动和换热进行数值模拟,得到了不同旋转数下凸表面和凹表面的冷却效率分布。计算选用剪切应力输运(SST)湍流模型,主流雷诺数ReD=4 797,吹风比M=0.4,旋转数Rt=0~0.023 9。研究结果表明,旋转数对冷却效率的影响明显：旋转数的增大使得气膜的轨迹偏转越明显,并且凸表面上气膜轨迹的偏转程度高于凹表面的。凸表面的冷却效率随着旋转数的增加而逐渐减小,而凹表面的冷却效率随着旋转数的增加而递增,并且旋转数的增加会弱化凸表面和凹表面上冷却效率的差别。     

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。      

旋转状态下孔排构型气膜冷却特性实验研究

 通过对旋转状态下带有孔排构型平板叶片模型表面的气膜冷却换热特性进行实验研究,得到了不同吹风比、旋转数、主流雷诺数和密度比情况下气膜孔下游流向位置上绝热效率的变化规律,同时提出了一个新的用于评价气膜冷却效果优劣的无量纲参数——有效覆盖率(EAR)。实验采用空气和二氧化碳作为冷却工质,利用热色液晶测温（TLC）技术对测试表面的二维温度场进行测量,并通过旋转拍照系统对液晶图片进行即时采集。研究结果表明,吹风比对旋转状态下二次流的流动形态起着决定性作用。随着吹风比的增大,二次流经历了附壁流动、分离流动和分离再附壁流动3种形态。当旋转数增大时,吸力面和压力面上的绝热效率呈现先上升后下降趋势,且压力面上整体绝热效率要高于吸力面对应值。主流雷诺数的增大导致壁面绝热效率出现降低趋势,但整体冷却效果变化不大;冷气对主流密度比的增大则有助于壁面冷却效果的改善。此外,EAR可以对不同工况下的壁面气膜冷却效果进行量化比较和评判,因而极具工程推广价值。     

带锥形扩张支孔射流气膜冷却效率数值模拟

 为了探讨由圆柱孔和锥形支孔组成的双出口孔射流气膜冷却特性,利用商业软件对气膜冷却下的流场和温度场进行三维数值模拟。主流雷诺数为10 000,吹风比变化范围为0.5~2.0。计算得到了冷却效率云图、冷却效率径向平均值以及近壁面处流场和温度场分布。研究结果表明,圆柱形孔射流的冷却效率数值模拟结果和实验数据吻合得非常好,双出口孔射流的冷却效率相对于圆柱形孔射流的冷却效率明显提高,径向分布非常均匀。双出口孔射流的流动结构和单圆柱孔射流的流动结构明显不同。随着吹风比的增加,冷却效率增大。基于冷却效率的最佳吹风比为1.5。     

复合冷却结构冷却效率的试验研究

本文从主次流气动参数(相对静压降、主次流温比、主流马赫数等)和冷却结构(冲击高度、开孔率等)两方面比较分析了两种双层壁复合冷却结构及对应的单层壁冷却结构的冷却效率。试验结果表明:气动参数中相对压降对冷却效率的影响较大,结构参数中冲击高度对冷却效率的影响较小,而试验孔板开孔率对冷却效率的影响较大,增加冲击板后的双层壁复合冷却结构冷却效率大大增强。     

气动参数对后台阶三维缝隙气膜冷却效率的影响

针对涡轮叶片尾缘冷却结构特点,建立了后台阶三维缝隙结构气膜冷却特性试验台,测量了缝隙中心和肋中心下游气膜冷却效率的局部分布,研究了气动参数变化对冷却效率的影响,其中基于缝高的二次流雷诺数变化范围是5 000～15 000,吹风比变化范围是0.5～2.0。试验结果表明:（1）二次流雷诺数对下游冷却效率的影响较小,对三维掺混区域的范围影响也不大;（2）吹风比对冷却效率有较大影响,总体上冷却效率随吹风比增大而降低;（3）吹风比对三维掺混区的范围及三维掺混的特征均有较大影响,吹风比较低时,二次流向两侧肋后区域的流动扩散性较好,有利于提高整个被保护面的冷却效率,吹风比较高时,二次流向两侧肋后区域的流动扩散性较差,造成肋后区域冷却效率较低。      

旋转状态下气膜冷却效果的数值研究

为探讨旋转状态下气膜冷却的效果,在不同吹风比和旋转数下,对带有气膜冷却的涡轮叶片进行三维数值模拟,研究了旋转效应对叶片表面冷却效率的影响。结果表明,当叶片旋转时,压力面上的冷却效率增大,吸力面上的冷却效率降低。叶片表面气膜冷却效果随着旋转数的增加而下降。旋转效应对叶片表面冷却效果的影响程度依赖于吹风比。当吹风比增大时,气膜冷却效果随着旋转数的增加而下降的趋势增大。     

非定常尾迹对叶片头部气膜冷却的影响

采用数值模拟的方法分析了非定常尾迹对叶片头部气膜冷却的影响,气膜冷却方式为狭缝冷却。将数值模拟得到的气膜冷却有效温比同相应的实验结果进行了比较,用来校验程序。通过对数值模拟的结果进行分析,发现当非定常尾迹作用到叶片头部时,主流的滞止点会从气膜狭缝上游移动到气膜狭缝上,气膜射流会发生“分流”现象,导致气膜狭缝下游壁面的气膜冷却有效温比急剧下降。