单孔冲击式帽罩前缘流动换热特性数值分析

为了提高航空发动机帽罩冲击防冰结构的设计分析水平,对单孔冲击式帽罩前缘结构的流动换热特性进行数值研究,分析了不同冲击孔径与不同冲击雷诺数对帽罩前缘速度流场、换热系数与努塞尔数的分布规律。结果表明:在冲击雷诺数一定的条件下,冲击孔径越大,射流核心速度和前缘壁面附近的气流速度越小,前缘冲击区形成的涡流团越大,当孔径D=6 mm时,小孔径冲击下前缘区整体换热效果不如大孔径的,而在滞止区的换热效果则要优于大孔径的;当D>12 mm时,孔径大小对壁面换热基本没有影响;在冲击孔径相同时,增大冲击雷诺数使得冲击射流、前缘壁面附近及侧壁曲面通道内的气流流速增大,冲击区内的涡流团则逐渐减小;冲击雷诺数的增大也增强了前缘冲击区的换热特性。     

前缘射流对涡轮导叶吸力面多排气膜孔冷却特性的影响

为了研究前缘射流对吸力面多排气膜孔下游冷却特性的影响,在跨声速风洞中进行了实验并采用热电偶获得了气膜冷却效率和换热系数。叶栅进口雷诺数的范围为2.0×105 ~ 4.0×105,出口等熵马赫数为0.95,叶栅前的湍流度小于5%。前缘布置6排对冲圆柱孔,质量流量比的范围为2.00% ~ 3.71%,吸力面布置4排圆柱孔,质量流量比的范围为2.02% ~ 3.74%。实验结果表明：在没有前缘射流时,吸力面的气膜冷却效率随质量流量比增大先升高后下降,存在前缘射流时,质量流量比对气膜冷却效率的影响较小。对所有的工况而言,质量流量比增大都提高了吸力面的换热系数。相比于没有前缘射流的工况,前缘射流显著提高了吸力面孔排附近区域的气膜冷却效率并略微降低了换热系数;在吸力面后半段,前缘射流显著提高了换热系数而对气膜冷却效率影响较小。总的来说,前缘射流改善了吸力面孔排附近区域的冷却效果,但是恶化了吸力面后半段区域的冷却效果。     

叶片弦中区内部气膜孔局部换热特性实验

对叶片弦中区内部有、无冲击射流的气膜出流冷却方式中,冷气侧气膜孔局部换热特性进行了实验研究。无冲击射流时,主要研究了来流雷诺数、气膜出流与横流密流比的变化对气膜孔局部换热特性的影响;研究发现,气膜孔局部的换热均随两者的增加而强化,且孔后的换热要好于孔前的换热,越靠近孔的地方换热越强,并对倾角为30°和90°时气膜孔的“溢流效应”进行了比较。有冲击射流时,改变冲击雷诺数、横流射流密流比等流动参数,通过对数据整理得出了这些参数对其局部换热特性的影响规律。      

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。      

射流孔交错偏置排布下的楔形凹表面对流换热数值研究

通过三维数值模拟的方法研究了射流孔交错偏置排布下的楔形凹表面对流换热,在射流孔偏置间距比（L/d）为0~2.5、射流孔距凹腔前缘间距比（H/d）为6~12、射流冲击雷诺数（Re）为10000~28000的研究参数下,研究结果表明射流孔交错偏置排布在凹腔中诱导复杂的涡流,对应于射流冲击驻点区的局部表面传热系数得到增强;相对于直线排布的射流孔,小射流孔交错偏距比能够使得凹腔前缘附近沿弦向的展向平均努塞尔数相对射流孔直线排布方式有所改善,随着射流孔交错偏距比增加,沿弦向的展向平均努塞尔数最大值所对应的弦向位置逐渐向凹腔前缘下游迁移.为了在保持凹腔前缘对流换热能力不受到显著削弱的前提下,改善凹腔前缘附近的射流冲击对流换热能力,射流孔交错偏距比宜选择在1倍射流孔直径左右.      

航空发动机进口支板外部热气膜对水滴撞击特性的影响

设计了4种不同气膜缝角度的防护结构,发展并验证了基于欧拉法框架的水滴撞击算法,针对直径为20μm的过冷小水滴,定量分析了气膜缝角度和吹风比对支板壁面水滴撞击特性的影响规律.研究结果表明,外部热气膜射流对水滴有明显吹袭作用,导致壁面平均局部水收集系数和撞击极限减小,而且气膜缝开孔位置越靠近支板前缘,吹袭水滴效果越明显.4种结构的平均局部水收集系数与无气膜缝结构相比分别下降了82%,8%,1%和0.5%.此外,吹风比增大会导致前缘最大局部水收集系数和撞击极限的减小变明显,尤其是气膜缝角度为5°结构的水滴撞击特性受吹风比影响最显著.前缘区域局部水收集系数呈现了相似的分布规律;支板后部区域,当吹风比增大到一定程度时,水滴被完全吹除.      

冲击加气膜组合式换热效果的试验研究

通过瞬态试验的方法,研究了涡轮叶片弦中区所采用的双层腔冷却结构的换热特性,讨论了冲击孔与气膜孔的相对位置和射流进口雷诺数对冲击板表面换热效果的影响,分别对2个试验模型的换热特性进行了比较。综合分析表明,模型的换热特性由2个换热因素控制,即冲击换热作用和气膜孔抽吸换热作用。     

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。     

叶片内部气膜孔附近壁面局部换热特性

对叶片弦中区内部“冲击-气膜出流”冷却方式中气膜孔附近壁面的换热特性进行了实验研究。取气膜孔前后三倍气膜孔径范围为研究对象，重点研究了冲击间距及冲击孔与气膜孔沿流向相对位置对其换热的影响规律。研究发现：对气膜孔前后局部范围，存在最佳的冲击间距与气膜孔径比；同样，对气膜孔前局部范围，也存在最佳的冲击、气膜孔沿流向相对距离与气膜孔径比；随着冲击孔与气膜孔相对距离的增大，冲击对气膜孔局部换热影响变小，气膜“溢流效应”突出，越靠近孔的地方换热越强。     

稀疏气膜冷气侧局部换热特性实验

涡轮叶片弦中区的冷却为冲击带初始横流和气膜孔溢流的复杂流动换热,通过实验的方法,研究了涡轮叶片弦中区沿流向局部换热特性和靶板平均换热特性随冲击雷诺数、横流射流密流比、气膜出流与横流密流比以及冲击腔高度与冲击孔直径之比的变化规律,并通过气膜出流与横流密流比对局部换热效果、区域平均换热效果以及靶板整体平均换热效果的影响规律揭示气膜的介人对冷气侧换热带来的影响.     

冲击双层壁内通道表面换热系数的研究

为了研究双层壁内通道表面换热情况和冲击距离对换热影响,对双层壁结构内通道上、下表面的换热系数进行实验测量。由获得的换热系数来分析研究双层壁内部换热。并对冲击射流的机理作了分析。研究结果表明,在双层壁结构中,在高雷诺数时,在冲击板表面上会出现两个峰值;在进气板表面上也会出现位置随冲击高度变化的一高换热区;层板内通道表面上的换热系数随冲击距离的减小而增大。     

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.      

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)。     

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。     

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。     

脉冲射流冲击平直表面的对流换热实验

利用红外热像仪测试了脉冲频率为10 Hz和占空比为50%的脉冲射流冲击平直表面的对流换热特性,在射流雷诺数为5 000~20 000、冲击间距比为2~8的范围内,与连续射流冲击换热进行了对比分析。研究结果表明,脉冲射流冲击对流换热系数依然具有随射流雷诺数增加而提高、沿径向急剧降低等基本特征,但是与连续射流相比,脉冲射流冲击引起的射流驻点和壁面射流区的对流换热存在差异,其影响与射流雷诺数和射流冲击间距密切相关;一般而言,在较大的射流冲击间距比下,脉冲射流体现出传热增强的效果,随着射流雷诺数的增加,脉冲射流较连续射流的优势更为明显;而在小射流冲击间距比下,连续射流则更具优势,在Re=20 000下仅当以3倍以上射流管直径作为区域半径进行平均时,脉冲射流才具有略高于连续射流冲击换热的作用效果。     

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.      

带有加强肋的涡轮机匣排孔冲击连腔结构内部换热特性研究

为获得涡轮机匣内部表面换热系数分布数据,以带有加强肋的排孔冲击连腔结构为对象进行了瞬态液晶实验。研究了不同射流雷诺数（Re=5.1×10³~1.1×10⁴）、冲击间距比（2.5,5.0,7.5）及轴向间距比（4.0,9.0,14.0）对靶面努塞尔数的影响规律。实验结果表明：增大射流雷诺数对靶面平均努塞尔数的提升最显著。随着冲击间距比的增大,靶面平均努塞尔数逐渐减小,但这种换热削弱效果局限在距冲击驻点2D~3D（D为冲击孔直径）范围内,其它区域的变化很小。在靠近前后端壁的局部区域,表面努塞尔数随冲击间距比的增大而增大。轴向间距比的改变不会影响无出流孔靶面的换热情况,对于有出流孔靶面而言,轴向间距比为9.0的结构换热效果最好。Re=5.1×10³条件下,轴向间距比为9.0结构在有出流孔靶面上的平均努塞尔数相比4.0和14.0结构分别增大了5.7%和8.1%,并且随雷诺数增大,增幅越大。     

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。