高超声速气膜冷却技术研究进展及发展方向

随着飞行器速度的进一步提高以及对可重复使用飞行器的需求,高超声速气膜冷却技术已经成为航空航天技术发展的热点问题。开展高超声速飞行器主动气膜冷却技术研究,对于解决高超声速飞行器面临的热防护问题,突破防热技术瓶颈,有十分重要的意义。本文在对主动冷却热防护技术原理、分类及其机制进行系统研究的基础上,从实验研究和数值模拟两个维度,对二维槽缝气膜孔工艺、离散气膜孔工艺和高超声速逆向喷流技术等高超声速气膜冷却技术以及影响气膜冷却效果的因素的研究现状进行了梳理和分析,进而提出了高超声速气膜冷却技术的防热材料研制、材料制备工艺、多气膜孔特性实验研究、逆向喷流气膜孔冷却技术实验验证等研究方向。     

双向扩张孔出口宽度对气膜冷却特性影响

采用窄带液晶瞬态测温技术,研究了圆柱孔和不同出口宽度双向扩张孔气膜冷却特性。主流雷诺数为6500,吹风比为1.0和2.0。双向扩张孔入口宽度为1.5倍孔径,出口宽度分别为1.5倍、2.0倍和2.5倍孔径。结果表明:吹风比为1.0时,出口宽度对气膜冷却效率和换热系数二维分布影响较小。吹风比2.0时,增加出口宽度不仅改变了气膜冷却效率和换热系数分布,还增大了径向平均冷却效率值,减小了径向平均换热系数值。双向扩张孔出口宽度增大到2.5倍孔径时,面平均冷却效率较圆柱孔增加118.2%,面平均换热系数降低14.3%。吹风比为2.0时,与圆柱孔相比,出口宽度增加逐渐改变了气膜冷却效率和换热系数二维分布。双向扩张孔出口宽度增大到2.5倍孔径时,面平均冷却效率增加了219.4%,面平均换热系数降低了27.2%。     

离散孔结构超声速气膜冷却数值模拟

为了得到气膜入口结构对气膜冷却效率的影响规律,并为工程应用提供参考,针对不同形状气膜入口结构的离散孔超声速气膜冷却展开了三维数值模拟。结果表明:气膜入口结构对气膜冷却效率影响明显,轴对称孔入口收敛段结构的流量系数直接影响冷却效果,计算工况下流量系数降低013下游冷却效率约降低005,应该防止收敛段剧烈收缩;同时,离散孔扩张段面积变化速率越小越有利于冷却,变化过快会使得冷却剂得不到充分发展,垂直主流方向的速度分量大,使得气膜往两侧流动而中心区域冷却效果变差;在非轴对称离散孔出口增加平直段能使射流更集中,可以有效防止气膜在上游被穿透造成冷却恶化现象。      

基于热色液晶的异型气膜孔气膜分布特征的可视化实验

通过在气膜孔下游不同位置设置涂有热色液晶的黑色尼龙网,根据尼龙网上的彩色无量纲温度轮廓,对圆柱孔、水滴孔和簸箕孔在吹风比为0.5,1,2下的气膜分布状况进行可视化实验研究.结果表明:气膜孔沿主流流向的扩张会降低出流平均动量,较小程度地减弱了肾形对涡强度,使气膜的覆盖范围和气膜厚度都有所增大;展向扩张使出流平均动量降低的同时使其具有展向速度分量,明显降低了肾形对涡强度,显著增大气膜覆盖范围、降低气膜厚度,增强气膜的贴壁性;吹风比增大使气膜脱离壁面的趋势增强,降低气膜覆盖范围;排孔的相邻孔的出流会相互影响,有利于将气膜压向壁面,相比单孔来讲排孔的冷却效果和气膜覆盖效果更好.      

带抑涡支孔结构新型气膜孔的实验研究

采用稳态液晶测温法对基准孔和3个在计算中有较好冷却效率的带抑涡支孔结构新型气膜孔进行了实验研究。实验结果表明:新型气膜孔的抑涡支孔对主气膜孔起到了保护作用,使新型孔在不同吹风比下的冷却效率要高于普通基准孔,特别是在高吹风比的情况下,这种现象更加明显。在低吹风比情况下,三种不同结构新型孔的冷却效率差别不大;而在高吹风比时,支孔与主孔平行孔型和支孔在主孔下游孔型要高于支孔在主孔上游的孔型,该现象随着吹风比增加会愈加明显。     

收缩型双射流孔气膜冷却特性与损失机理

在兼顾气膜冷却效率的条件下,为了降低气膜冷却带来的气动损失,采用数值模拟的方法研究了双射流孔和收缩型双射流孔的气膜冷却特性。对比分析了不同吹风比（0.5～2.0）工况下气膜冷却效率和损失分布规律。结果表明：当吹风比高于1.0时,收缩型双射流孔促进冷气横向发展,冷却效率提高;当吹风比增加到2.0时,收缩型双射流孔可以防止冷气吹离壁面。与双射流孔相比,收缩型双射流孔入口冷气均匀加速,消除了孔内低速区造成的堵塞,流场趋于均匀,孔内损失明显降低,从而整体上降低了气膜冷却引起的总压损失。     

出流孔型对平板气膜冷却影响机理的研究

为了研究不同孔型对平板气膜冷却的影响,针对圆形,扇形,水滴形,收敛缝形四种气膜出流孔型的流动和传热特性进行了数值模拟。研究结果表明,圆形孔、扇形孔和水滴形孔气膜出口下游出现从中心向上抬升的反向旋转涡对,将主流燃气卷吸进来;收敛缝形孔在侧向的扩张型面使得气膜出流在展向的覆盖更为均匀,这有效地阻止了高温气体的侵入;在相同吹风比下,收敛缝形孔在气膜出口附近区域的平均绝热冷却效率则明显要高于其余三种孔,随着吹风比的增大,这种差距越发明显;孔型对对流换热系数增强比的影响区域仅局限在邻近气膜孔出口大约7倍气膜孔径的范围内。     

基于NPLS的静压比对高超声速光学头罩冷却气膜影响作用研究

超声速冷却气膜是应用于高超声速成像制导飞行器上的一项关键技术,静压比是影响超声速冷却气膜流场发展的重要因素。为研究静压比对该流场的影响规律,在M6高超声速风洞中采用基于纳米粒子的平面激光散射技术,对不同静压比下的马赫数3超声速冷却气膜流场进行了实验研究,获得了流场的瞬态流动显示图像。通过瞬态流动显示图像分析,研究了高超声速主流与超声速喷流之间边界面的发展过程;通过分形维数及间歇性分析,研究了静压比对湍流化程度的影响。结果表明在波系结构、喷流厚度及湍流化程度等方面,静压比对超声速冷却气膜产生了明显的影响:气膜总体厚度和静压比正相关,欠压状态和匹配状态气膜厚度增长先慢后快,过压状态先快后慢;欠压状态和匹配状态湍流破碎因子在流场前段普遍小于过压状态,但其沿流向增长较快,最终压力匹配状态湍流破碎因子最大,湍流化程度最高。     

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.      

气膜孔倾角对层板隔热屏冷却性能影响

为了获得气膜孔倾角对层板隔热屏(冲击/发散复合冷却隔热屏)冷却性能的影响规律,基于加力燃烧室真实工况,对0°到90°范围内的十种不同气膜孔倾角的层板隔热屏进行了三维流热耦合数值模拟研究,得到了层板隔热屏冲击壁面Nu数、层板隔热屏气膜冷却表面的冷却效果、层板隔热屏冷流体热负荷及气膜孔流量系数的变化规律。结果表明,气膜孔倾角的变化对冲击壁面Nu数的影响较小;气膜冷却表面的综合冷却效果随气膜孔倾角的增大而减小,15°倾角模型比10°倾角模型的平均综合冷却效果降低2.8%;单位面积冷流体热负荷随气膜孔倾角的增大而增大,最小值比最大值低30.7%;气膜孔倾角对层板隔热屏平均流量系数的影响不大,但上游气膜孔的出流会对下游气膜孔的流量系数产生影响。     

叶片前缘圆柱形孔和扩张形孔气膜冷却特性研究

采用考虑曲率影响的瞬态液晶测量技术测量了叶片前缘扩张形孔和圆柱形孔的气膜冷却特性,分析了不同孔形在不同平均吹风比下气膜冷却效率的局部分布特征及定量变化关系,结果表明:①与圆柱形孔相比,扩张形孔射流的覆盖面更大,主要覆盖区域的偏移角度更小;②圆柱形孔的平均冷却效率在不同测量区域内均随平均吹风比的增加先升高后下降,扩张形孔的平均冷却效率在孔排间区域随平均吹风比的增加单调升高,在第二排孔后区域各平均吹风比下基本一致;③在实验范围内,扩张形孔的展向平均冷却效率较高.      

涡轮转子叶片异型气膜孔冷却数值研究

采用数值模拟的方法,研究了发动机工作条件下涡轮转子叶片压力面异型气膜孔的冷却特性,分析了吹风比和旋转雷诺数对气膜冷却的影响.结果表明:旋转条件下,气膜射流受离心力和哥氏力作用朝叶尖方向发生偏转,射流涡结构发生改变;随着旋转雷诺数增大,气膜射流向叶尖的偏转量逐渐增加,展向冷却均匀性提高,展向平均冷却效率略有提升;同一转速下扇形孔和收敛缝型孔能有效抑制气膜分离,展向平均冷却效率沿下游单调变化,随吹风比增加而升高,吹风比越小气膜射流向叶尖偏转越明显;旋转条件下,扇形孔与收敛缝型孔射流较圆孔射流仍有明显的冷却优势.      

孔内“喷射现象”影响气膜冷却流动传热机理

为了揭示气膜孔内不同“喷射现象”对气膜冷却流动传热的影响,在相同射流角基础上选取7种不同进气角的冷气腔以改变气膜孔内的“射流效应”,并对7种冷气腔在不同吹风比条件下进行了对比研究。结果表明:当进气角不为0°时,不同进气角会在气膜孔内产生不同的“喷射现象”。低吹风比时不同进气角的气膜冷却效率相差不大。随着吹风比的增加,不同进气角时的冷却效率存在很大差别。在吹风比为1.5,进气角不大于0°时冷气在孔外形成了强肾形涡;而当进气角大于0°时冷气在与高温主流相互作用后,上游低动量区的冷气会绕开下游高动量区冷气后贴附壁面,增大涡对之间的距离从而减弱相互增强的效应。相对于原始冷气腔,在吹风比为1.5,进气角为15°和30°时的平均气膜效率分别提高了约130%和70%。      

心形孔气膜冷却特性的数值模拟

为进一步提高航空发动机热端部件的冷却效率,提出了心形气膜冷却孔结构,利用数值模拟分析心形孔的流场特性和冷却特性,并通过与常规圆形孔计算结果的对比,揭示心形气膜孔强化冷却的物理机制.计算结果表明:与圆形孔相比,心形孔能有效抑制反向旋转涡对的生成,冷却气流的贴壁效果得到明显提高,同时心形孔的扩展出口结构使得冷却气流在展向上的分布更为均匀,展向平均气膜冷却效率得到显著提高;在吹风比为0.5~2.0内,心形孔的全局平均冷却效率相对于圆形孔分别提高了70.93%,246.94%,598.9%和879.07%;从热流比分布来看,心形孔在吹风比为1.5下的热流比值最低,表征在吹风比为1.5下心形孔对壁面的保护效果最好.      

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.      

涡轮叶片上收缩-扩张形孔排的全表面气膜冷却特性

为了摸清新型收缩-扩张形孔在涡轮叶片上的气膜冷却特性,采用一种可进行全表面测量的稳态液晶测量技术测量了收缩-扩张形孔排在涡轮叶片模型上的气膜冷却效率分布。研究了基于叶片弦长的主流雷诺数和二次流-主流流量比对冷却效率的影响,并与叶片上圆柱形孔排的气膜冷却效率分布进行了对比。结果表明:受叶栅通道涡作用,两种孔排的射流轨迹在吸力面呈聚敛状;在压力面则呈发散状;但通道涡对收缩-扩张形孔排射流的影响较弱。收缩-扩张形孔排在吸力面和压力面上的气膜覆盖范围和冷却效率都远大于圆柱形孔排,而且收缩-扩张形孔排的冷却效率随流量比的增大而增大;在压力面上,叶片型面结构使得收缩-扩张形孔排以及圆柱形孔排的气膜覆盖效果好于吸力面。在本文的实验雷诺数范围内,主流雷诺数对收缩-扩张形孔排的冷却效率分布特征以及冷却效率数值大小的影响都很小。     

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。     

Experimental investigation of the full coverage film cooling effectiveness of a turbine blade with shaped holes

The film cooling effectiveness of two turbine blades at different turbulence intensities(0.62% and 16.00%) and mass flux ratios(2.91%, 5.82%, 8.73% and 11.63%) is studied by using the Pressure-Sensitive Paint(PSP) measurement technique. There are a baseline and an improved turbine blade in current work, and their film cooling hole position distribution is the same. But the hole shape on suction surface and pressure surface is changed from cylindrical hole(baseline)to laid-back fan-shaped hole(im...     

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%.