纵向波纹隔热屏气膜冷却特性数值研究

以加力燃烧室纵向波纹隔热屏为研究对象,采用数值方法,对不同吹风比、不同展向间距以及不同流向间距的纵向波纹隔热屏进行计算,获得了纵向波纹隔热屏流场流动特征和气膜冷却效率的变化。结果表明:纵向波纹隔热屏气膜冷却与常规的平板气膜冷却有着本质的区别,表现出气膜射流脱离壁面、较小吹风比下的冷却效率受结构影响大等特征;较低吹风比(M1.3)下气膜冷却效率沿着流向呈现出起伏变化,较高吹风比(M≥1.3)下的气膜冷却效率沿程逐渐增加,最终趋于平缓;对于几何结构,吹风比约为2.5时效率达到最大值;随着展向间距的减小,气膜冷却效率逐渐增加,但增加较为缓慢;气膜冷却效率并不是一直随流向间距的减小而增加,当流向间距从4.2倍孔径减小到3.25倍孔径时,在第二周期波峰区域,冷却效率反而降低,随着流向间距进一步减小,局部冷却效率降低的区域甚至扩大,并占据了波纹隔热屏的第二个波峰。     

发散孔纵向波纹隔热屏气膜冷却特性

对燃烧室内开有发散孔的纵向波纹隔热屏进行了数值模拟.研究隔热屏的四种结构参数开孔率、波纹板高度、孔径和冷却通道高度的改变对隔热屏冷却效果的影响.研究表明:在气膜孔出流总量相同的情况下,3%开孔率比6%开孔率的隔热屏平均冷却效率较高;波纹板高度对隔热屏冷却效果影响较大,波纹板无量纲高度为1%比波纹板无量纲高度为2%和3.33%的隔热屏平均冷却效率高;孔径和冷却通道高度的改变对隔热屏冷却效果几乎没有影响.      

纵向波纹隔热屏气膜孔流量系数的实验

针对加力燃烧室离散孔纵向波纹板结构隔热屏,通过改变次流雷诺数（Re_c=24×104～33×104）和出流比（S=0.02～0.07）得到了波纹板上不同开孔位置处气膜孔的流量系数.实验结果表明,不同开孔位置处流量系数有很大差异;同一开孔位置处,对于长径比远小于1（L/D≈0.17）的孔,气膜孔和次流通道的动量比对小孔流量系数有很大影响,尤其是在动量比较小的情况下;而在同一动量比下,单纯改变小孔雷诺数或次流通道雷诺数对流量系数影响不大.      

纵向波纹隔热屏气膜孔流量系数的实验研究

针对加力燃烧室离散孔纵向波纹板结构隔热屏,通过改变次流雷诺数和出流比得到了波纹板上不同开孔位置处气膜孔的流量系数。实验结果表明,不同开孔位置处流量系数有很大差异;同一开孔位置处,对于长径比远小于1（L/D=0.17）的孔,气膜孔和次流通道的动量比对小孔流量系数有很大影响,尤其是在动量比较小的情况下;而在同一动量比下,单纯改变小孔雷诺数或次流通道雷诺数对流量系数影响不大。     

高冷气温度下横向波纹隔热屏气膜冷却特性研究

通过三维数值模拟的方法分别研究了高冷气温度下吹风比、开孔率以及孔排布等气动参数和结构参数对加力燃烧室横向波纹隔热屏气膜冷却效率和流动特性的影响规律。结果表明:吹风比改变时相同流向截面处波峰的温度总是高于波谷的温度,且壁面上温度呈现"锯齿状";随着吹风比的增加,隔热屏壁面冷却效率提高,在吹风比M=2.0时冷却效率达到最大值;当吹风比M≥1.5,气膜冷却效率逐渐递增,最后趋于平缓,且吹风比越大趋于平缓的流向间距越短;单位面积冷却流量相同时,气膜孔开孔率?=3.14%对隔热屏壁面的冷却效率最高,其次开孔率为?=2.18%;当单位面积冷却流量Gf≥3.990kg/(m~2·s)时,开孔率?=1.60%比开孔率?=4.90%时对隔热屏壁面的冷却效率高;相同单位面积冷却流量时,气膜孔流向间距增加,展向孔间距减小,气膜叠加效应积聚在壁面处形成有效的气膜层,使得冷却效率趋于一定值对应的流向间距短,气膜孔排布为展向间距p=4mm,流向间距s=6.25mm较其它气膜孔排布冷却效率要高。     

多孔纵向波纹表面气膜冷却效率实验研究

实验研究了开孔方式、主流雷诺数及平均吹风比等因素对某种多孔纵向波纹表面沿程气膜冷却效率的影响规律.实验参数变化范围:基于波长的主流雷诺数120 000～250 000,平均吹风比0.2～2.0.研究结果表明:平均吹风比是影响波纹结构沿程气膜冷却效率的主要因素,在较大的吹风比范围内各方案沿程气膜冷却效率呈波纹状变化趋势;从提高气膜冷却效率角度考虑,平均吹风比小于0.6时,波峰及波峰附近开孔方案较优,波谷及波谷下游附近开孔方案较差.      

纵向波纹隔热屏通道的换热特性

通过改变进气流量、气流背压，实验研究了航空发动机加力燃烧室筒体纵向波纹板隔热屏通道结构对换热特性的影响。对无孔、每波两排孔和每波六排孔三种结构的实验结果表明，波纹板的换热效果远高于平板型，随着波纹板上的孔排数增加，换热效果增大；波形对波纹板的壁温和Nu数影响很大，密流比对Nu数的影响与波孔排数有关，得到的纵向波纹通道的平均换热经验公式，可用于指导加力燃烧室隔热屏地设计。     

温度比对导叶端壁冷却特性的影响

利用高温风洞及远红外热像技术,在两种主流/冷气温度比(1.53和2.29)和3种冷气/主流质量流量比(0.50%, 1.25%和1.50%)下,研究了温度比对导叶端壁综合冷却特性的影响。对比高、低温比下的实验结果发现:保持冷流温度不变,通过增加主流温度来提高温比,会使整个端壁表面冷却效率却显著增加;高温比改变了端壁表面的冷却特性,端壁不同位置冷却效率在高温比时增加的幅度不同,端壁高、低冷却效率区发生变化,适用于低温比的气膜孔布局方案可能并不适用于高温比;温比对端壁前缘冷却特性的影响较大,对端壁尾缘的影响较小。      

发散孔结构参数对横向波纹表面气膜绝热冷却效率的影响

针对加力燃烧室特定横向波纹结构的隔热屏发散冷却进行数值模拟,主要研究发散孔孔节距、孔径以及开孔率等3个结构参数对发散冷却效率的影响。结果表明:由于处于波纹波谷的相邻气膜射流更易于形成相干,从而在波谷形成更强的集聚效应,造成波谷附近的绝热壁面温度低于波峰区域;在相同的壁面单位面积冷气用量下,减小孔径、增大开孔率均显著改善气膜冷却效率,尤其是在发散气膜的前排起始段;发散孔流向节距大于展向节距的长菱形排布相对较优,但在小吹风比下发散孔排布节距比对展向平均绝热冷却效率的影响非常微弱。      

冷却孔非均匀排布波纹板隔热屏冷却特性仿真

为了更加合理地分配冷却气体流量,提高纵向波纹板隔热屏结构的气膜冷却效率,提出了非均匀孔排布局波纹板隔热屏结构,即保持开孔率不变,构建了上游波纹结构气膜孔排布密集、下游波纹结构气膜孔排布稀疏的非均匀结构。在发动机真实工况下,采用数值仿真的方法研究了非均匀孔排方式对沿程冷却气体流量分配特性和气膜冷却特性的影响规律,揭示了振幅比变化对波纹板隔热屏冷却效果的影响规律。结果表明：前密后疏型非均匀孔排布局可以改变冷却气体在隔热屏不同位置处的出流量,从而显著提高隔热屏的气膜冷却效率。在气膜孔孔参数以及开孔率不变时,增大隔热屏上游孔排密度既可以提高隔热屏上游的冷却效果,又不会明显降低隔热屏下游的冷却效果,使隔热屏整体面平均气膜冷却效率有所提高,相比于均匀孔排结构,前密后疏孔排布局最高可使隔热屏面平均气膜冷却效率提高12.66%;在相同工况下,当振幅比从0.035增大至0.075时,隔热屏的面平均气膜冷却效率显著提高,最高可使其面平均气膜冷却效率提高16.32%。     

Numerical investigation on adiabatic film cooling effectiveness and heat transfer coefficient for effusion cooling over a transverse corrugated surface

Three-dimensional numerical computations are conducted to investigate the effects of the blowing ratio and corrugation geometry on the adiabatic film cooling effectiveness as well as the heat transfer coefficient over a transverse corrugated surface. It is noticeable that the adiabatic wall temperature on the wavy valley of the transverse corrugated surface is relatively lower than that on the wavy peak. Surface corrugation has a relatively obvious influence on the laterally-averaged adiabatic film cooling effectiveness in the region where the effusion film layer is developed, but has little influence in the front region. Compared to a flat surface, the transverse corrugated sur-face produces a smaller adiabatic film cooling effectiveness and a higher heat transfer coefficient ratio. The effusion cooling difference between the flat and corrugated surfaces behaves more obvi-ously under a small aspect ratio of the wavy corrugation.     

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.      

温比对第一级导叶端壁气膜冷却特性的影响

利用高温风洞及远红外热像技术,在两种主燃气与冷气温比(TR)(1.64、2.68)和4种气膜注射吹风比(BR)(0.6、1.0、1.5、2.0)下,研究了导叶端壁十排复合角度圆形气膜孔的综合冷却效率。对比高、低温比下的实验结果发现:(1)在无气膜时,端壁前缘的最高温点会因主流温度的提高而更靠近叶片前缘;(2)气膜出流时,端壁近吸力面区域冷却效率高于近压力面区域,冷却效率随BR的提高而不断增大,且BR从1.0增加到1.5时,冷却效率增幅最明显;(3)在同一BR下,端壁的综合冷却效率会随TR的增加而提高,但随着BR的不断加大,TR对端壁平均冷却效率的影响逐渐减小,即:相比于TR为1.64下的面平均冷却效率,TR为2.68工况下的平均冷却效率在BR为0.5时可提高18.2%,而在BR为2.0时,其只相对提高了8.8%。     

梯形突片气膜冷却特性的实验

为了研究突片对气膜冷却的影响规律,设计了3种不同堵塞比的梯形突片,采用红外摄像仪对不同形状突片冷却结构的壁面温度场进行了测试,并对气膜冷却特性的影响规律进行了实验研究.研究结果表明,与无突片的气膜冷却相比,突片的存在大大提高了气膜冷却效率和对流换热系数;冷却效率沿气流方向存在一个最佳吹风比值;对流换热系数在本实验范围内,堵塞比为0.214时气膜冷却对流换热系数最大.      

各向异性复合材料平板气膜冷却特性实验和数值研究

针对不同编织方式形成的复合材料平板气膜冷却开展了实验研究,利用红外热像仪测量了热侧壁面的温度场分布,分析了平板导热系数、吹风比、主流温度等参数对综合冷却效率的影响。在实验验证的基础上,进一步对单向增韧特点的复合材料进行数值模拟,分析了X、Y、Z三个方向导热系数对单孔气膜冷却壁面温度场分布和综合冷却效率的影响。结果表明:随着吹风比的升高,气膜综合冷却效率升高;随着主流温度的升高,气膜冷却效率降低;25D编织复合材料冷却效率最高,3D编织复合材料冷却效率最低。各向异性复合材料内部的温度梯度、传热量都与材料的导热系数特征有关,X方向和Z方向的导热系数增大,沿程综合冷却效率升高;而Y方向导热系数的增大对气膜冷却效率几乎没有影响。      

涡轮叶片前缘气膜冷却换热实验

针对某型涡轮叶片放大模型的前缘冷却结构气膜冷却效果开展了细致的实验研究,利用红外热像仪测量了叶片表面的温度场分布,分析了前缘的气膜孔倾角、吹风比、主流雷诺数等参数对绝热冷却效率和压力损失的影响.实验中前缘的3排气膜孔倾角变化范围是35°~90°,主流雷诺数变化范围是76112~142624,吹风比变化范围是0.44~2.64.结果表明:气膜孔倾角越小,前缘驻点附近的气膜覆盖效果越好;气膜孔倾角为45°的叶片压力损失系数最小,气膜孔倾角为75°的叶片压力损失系数最大;主流雷诺数增大,绝热冷却效率下降,压力损失系数增加;吹风比增大到1.32时,绝热冷却效率达到最大,吹风比再增大绝热冷却效率反而下降.      

圆直管中离散孔超声速气膜冷却实验

以圆直管中的超声速高温燃气为主流,以常温氮气为气膜介质,用实验的方法研究了离散孔超声速气膜冷却规律,主流马赫数为2,射流马赫数分别为1,2,3.结果表明:射流流量是影响离散孔气膜冷却效果的最主要因素,提高吹风比或者增大孔径,都能显著提高气膜冷却效率;在实验工况下,冷却效率与吹风比和孔径的关系可以总结成实验关联式;射流喉部直径相同、流量相同情况下,射流马赫数对气膜冷却效果影响不大;在气膜孔附近,入射角为30°的射流比切向入射时的冷却效果差,在下流远离气膜孔位置,入射角为30°的射流冷却效果优于切向入射时.      

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.