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     

基于真实密度比的单/三排扇形孔气膜冷却性能及流阻特性

在真实密度比条件下对单排和三排的扇形气膜孔的传热和流阻特性进行了实验研究。采用压敏漆（PSP）技术对单/三排定出口宽度的扇形孔进行风洞实验,研究了在真实密度比条件下不同孔形参数的扇形气膜孔的传热和流阻特性的差异,得到了不同孔形参数的扇形孔出现冷气射流吹离热侧壁面的大致临界吹风比以及实现展向平均气膜冷却效率最高的孔型结构参数。实验结果表明:在所研究的孔形参数范围内,扇形孔在吹风比小于1.5时没有出现冷气射流吹离壁面的现象,且倾斜角为20°、扩散角为15°的扇形孔的气膜冷却性能最好;而当吹风比为2.0时则出现了不同程度的吹离热侧壁面的现象,且倾斜角为25°、扩散角为10°的扇形孔的气膜冷却效率最大。此外,倾斜角为25°、扩散角为13°和倾斜角为30°、扩散角为10°的扇形孔流量系数最高。      

倾斜30°锥形喷孔气膜冷却的流动和传热实验研究

对流向倾角为３０°、锥顶角分别为１５°和３０°的锥形气膜冷却喷口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的射流情形进行了比较，发现锥形喷口下游的速度边界层的等值线具有三种基本分布形态。随着锥形出口面积的增大，射流的穿透能力明显减弱，核心区域速度明显降低，侧向扩展范围明显增加，纵向耦合涡迅速减弱并消失，从而显著地提高了气膜冷却效率，尤其是提高了喷孔两侧流向下游位置上的冷却效率。同时，大锥顶角的高吹风比下，射流具有十分良好的贴壁效应和非常可观的冷却效率。     

单孔复合角气膜冷却的流动与传热的实验研究

在吹风比Ｍ＝１．０和２．０的工况下，分别用五孔针和热电偶测量了流向倾角α为３０°和６０°、侧向倾角β为３０°和４５°以及喷孔出口扇形角γ为０°和３０°的复合角气膜冷却的流场和温度场，首次在实验中发现复合角射流下游存在一强一弱反向旋转的纵向耦合涡结构，其流向速度Ｕ／Ｕ∞和无因次温度θ的等值线均呈不对称腰子形。α、β、γ以及Ｍ的变化均将对流场和温度场产生影响。扇形孔射流具有较宽的气膜覆盖区域，能够有效地降低旋涡强度，具有比圆孔高得多的冷却效率。     

基于PSP实验技术的双射流气膜冷却 特性研究

基于压力敏感漆(PSP)实验技术研究了具有双射流、圆孔和扇形孔的气膜冷却系统在主流湍流度为6%,吹风比分别为0.5,0.8,1.0,1.2和1.5时的冷却特性.圆孔平均气膜冷却效率在吹风比为0.8到1.5范围内逐渐降低;而双射流和扇形孔在整个实验范围内随吹风比的增大而升高,这表明双射流很好地抑制了射流与壁面的吹离.在同等条件下,双射流气膜冷却效率优于圆孔,而低于扇形孔.实验条件下的数值模拟结果清楚地表明了圆孔、双射流和扇形孔分别形成的肾形涡系、反肾形涡系和弱肾形涡系是形成各自气膜冷却特性的主要因素.      

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%。      

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.      

不同组合方式双排孔射流气膜冷却特性研究

基于计算流体力学理论建立了气膜冷却射流的控制微分方程。采用Fluent对不同组合方式下双排孔射流气膜冷却特性进行了计算研究。根据实际工况,分析了不同吹风比下,上游孔顺向射流+下游孔顺向射流、上游孔顺向射流+下游孔逆向射流、上游孔逆向射流+下游孔顺向射流、上游孔逆向射流+下游孔逆向射流共4种不同组合结构的气膜冷却特性。结果表明,吹风比为0.3时,上游孔顺向射流+下游孔顺向射流组合展向平均气膜冷却效率较高,达到0.15左右;吹风比为0.8时,上游孔逆向射流+下游孔顺向射流组合展向平均气膜冷却效率较高,达到0.18左右;吹风比为1.4时,上游孔逆向射流+下游孔顺向射流组合展向平均气膜冷却效率,可以达到0.24左右。研究结果对涡轮叶片气孔结构设计有重要参考价值。     

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%。     

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.      

气膜冷却流场的实验研究和数值模拟的分析

用Ｘ型双丝热线探头对扇形气膜孔射流下游流场的测量结果表明，湍流因射流的注入而显著增强，并存在十分明显的各向非同性。传统的应力和速度梯度的涡粘关系仍然适用于气膜冷却流场，但应该在不同的方向上分别对湍流粘性系数进行修正。标准ｋ－ε湍流模型可成功地模拟孔内流动和流向倾角α较小时的掺混气膜冷却流场，但在α较大时的孔中线附近区域内的流场模拟是不成功的，并导致冷却效率的模拟失败。     

超声速涡轮叶栅超声速气膜冷却数值研究

为了研究超声速涡轮叶栅通道内的超声速气膜冷却,采用数值计算的方法,对主流压比2.33~4、冷气入射角度15°~45°条件下的涡轮叶栅超声速气膜流动和传热进行了研究。计算结果表明:超声速气膜射流与主流作用后产生的斜激波与尾缘激波交汇,形成两道反射激波,其中一道反射激波作用在气膜孔下游的叶片表面又形成了反射;在不同的主流压力下,超声速气膜射流在叶片法向和展向上展现出不同的发展特征,对转涡对(CVP)在展向上相互挤压,扼制了高温主流卷入叶片壁面;主流压比增加到4,气膜射流区在法向拉长,在展向相对较弱,导致主流在对转涡对(CVP)的作用下被卷入气膜射流的底层,壁面冷却效率降低;气膜入射角从15°增大到45°,冷却效率整体上呈先上升后下降趋势,在入射角30°时冷却效率相对最大,这与射流的穿透能力、冷却气流再覆壁面特征有关。     

气膜孔孔形对涡轮冷却流场影响的数值研究

基于有限体积法对三维定常N-S方程进行离散,采用k-ε两方程湍流模型,数值研究了气膜孔几何形状对涡轮叶片气膜冷却效果的影响,得到了气膜孔附近的流场分布。所选孔形为圆柱孔和后倾扇形孔。结果表明后倾扇形孔减小射流动量比,减弱射流穿透主流的能力,并产生了一定的展向速度,可使射流冷气能够较好地贴附在壁面上起到保护作用。具有后倾扇形孔的涡轮叶栅沿叶高方向和流线方向体现出了比圆柱形冷却孔更好的冷却效果。     

气膜冷却平板表面颗粒物沉积的实验研究

为了解涡轮叶片表面颗粒物的沉积规律和沉积对气膜冷却的影响,实验通过石蜡喷涂装置将熔融石蜡颗粒喷入到小型风洞中,石蜡颗粒沉积在具有气膜冷却的平板表面上来模拟涡轮叶片上的颗粒物沉积过程。实验中将表征石蜡熔融颗粒尺寸的斯托克斯数与实际燃气涡轮发动机中的煤灰颗粒相匹配,通过调节主流温度,保持石蜡颗粒在沉积前处于熔融状态来模拟真实涡轮叶片上颗粒物的粘附机理,观察没有气膜冷却情况下的石蜡沉积过程和有气膜冷却情况下,不同吹风比和不同射流角度对石蜡沉积的影响,以及石蜡沉积后对平板表面气膜冷却的影响。研究发现石蜡熔融温度与主流温度相接近时,更容易沉积在平板表面,并且石蜡沉积在生长到一定厚度后不再增长。在有气膜冷却的情况下,吹风比从0增加到1.5时,平板表面石蜡沉积先减少后增加,吹风比为0.5时,石蜡沉积最少。射流角度由30°增加到90°时,平板表面石蜡沉积逐渐增多。石蜡沉积降低了平板气膜冷却效率,并且气膜孔间下游区域的温度比气膜孔下游区域更高。     

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.      

射流角与吹风比影响涡发生器强化气膜冷却性能的实验研究

为了研究了射流角度和吹风比等关键参数对涡发生器强化气膜冷却性能的影响规律,采用热电偶测温和粒子成像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)技术,在搭建的气膜冷却实验台上对三种不同射流角度(α=20°,30°,40°)的带涡发生器和不带涡发生器等六种结构在三种不同吹风比(M=0.5,1.0,1.5)下的壁面气膜有效度分布及中截面流场结构进行了研究。结果表明:涡发生器的引入能显著提高气膜冷却性能,面平均气膜有效度最高提升达249%;不带涡发生器结构的气膜冷却性能随吹风比及射流角增大均呈现降低趋势;20°和30°射流角情况,带涡发生器结构的气膜冷却性能随吹风比增大而逐渐增大,而对于40°射流角则反之;M=0.5情况下,带涡发生器结构的气膜冷却性能随射流角增大而略微增大,在M=1.5情况下,规律相反,而在M=1.0情况下,射流角度基本无影响。     

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%.      

次孔方位角对单入口-双出口孔射流气膜冷却效率影响

为了探讨次孔方位角对单入口-双出口孔射流气膜冷却效率的影响,利用商业软件提供的有限体积法求解Navier-Stokes方程,对次孔方位角分别为30°,45°,60°和90°的单入口-双出口孔射流冷却效率进行数值模拟.吹风比变化范围为0.5~2.0.研究了流场、气膜冷却效率和径向平均气膜冷却效率的变化规律.结果表明,相对于圆柱孔,单入口-双出口孔射流气膜冷却效率明显改进.基于气膜冷却效率的最佳次孔方位角度为45°,高于圆柱孔射流气膜冷却效率300%.吹风比越大,次孔方位角对气膜冷却效率的影响越明显.      

逆压力梯度下几何参数对气膜冷却效率的影响

采用放大模型在低速回流式风洞中进行了实验,研究了逆压力梯度下圆柱形孔、扇形孔和双向扩张形孔的气膜冷却效率,分析了孔间距、前倾角和径向角等几何参数对气膜冷却效率的影响.结果表明:扇形孔的气膜冷却效率最大,双向扩张形孔次之,圆柱形孔最小.孔间距越小,气膜冷却效率越大,且动量比越小,孔间距的影响越大.前倾角越小,气膜冷却效率越大,动量比越大,前倾角的影响越大.径向角的影响较复杂,小于30°且递增时,气膜冷却效率随动量比的增大而减小;大于30°时,气膜冷却效率随径向角的增大而减小.      

垂直横流通道内槽型截面孔气膜冷却特性数值研究

为了揭示燃气透平动叶内部横流通道对不同截面形状气膜孔的影响机理,采用数值方法对比研究了典型扇形孔和槽型截面孔在垂直横流通道内的气膜冷却特性。四种槽型截面孔包括2种梭型扩张孔(上游壁外凸、下游壁外凸)和2种半圆侧壁矩形扩张孔(计量段截面宽度1.7D,2.0D),气膜孔直径D均为3mm。三种垂直横流通道均为8D×4D矩形通道,分为无肋光滑通道、45°和135°带肋通道,肋间距与孔间距均为8D。数值结果表明:在中高吹风比下,四种槽型截面孔的气膜冷却效果均显著优于扇形孔,光滑通道中差距最大,45°肋通道中差距最小,其中大截面宽度矩形扩张孔的气膜冷却效果在三种横流通道中均最高。由于强的横向扩张,下游壁外凸的梭形扩张孔的气膜冷却效果受横流影响弱,在三种横流通道中的变化幅度最小。四种槽形截面孔的展向平均气膜冷却效果在45°和135°带肋通道中变化均不大,即肋角度对槽形截面孔气膜冷却效果影响较小。四种槽型截面孔中高吹风比下的出流系数在无肋通道中均高于扇形孔,在带肋通道中五种孔型的出流系数差别很小。