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。     

出口侧向扩张孔流量系数试验

采用试验研究的方法,探讨了不同结构参数出口侧向扩张孔的流量系数在不同工况下的变化规律。通过试验研究发现:出口侧向扩张孔圆柱段孔径为0.6 mm时的流量系数比孔径为0.8 mm时大3%;当孔倾角由30°减小至25°时,流量系数随之增大,当倾角继续减小至20°时,流量系数不变;当扩张角由20°增大至40°时,流量系数先增大后减小,且在扩张角为25°时最大;流量系数与次流通道雷诺数成正比,雷诺数越大,流量系数达到极限值所需的压降系数越小,且当压降系数大于0.9后,不同次流雷诺数下的流量系数差别在2%左右。      

层板冷却结构强化换热机理

应用简化的换热模型分析了影响层板冷却效果的因素,得出了燃气侧气膜冷却效率η_f,层板内部换热效率η_i和参数f是影响冷效的决定因素。为了研究层板强化换热机理,提高其内部换热效率η_i以优化层板传热设计,本文在相同的两侧换热条件和冷气密流下,对5种相同孔径、通道高度和开孔率,不同内部绕流形式的层板结构和1种双层壁结构进行了流固耦合传热计算,得到了其综合冷却效率。结果表明层板结构的综合冷却效率明显高于双层壁;冷气沿程吸热焓增带走了大部分从燃气侧进入层板的热,并且冷气与层板内表面的换热主要发生在出气板上,扰流柱的存在增加了换热面积,一定程度上增强了换热;合理设计绕流结构有利于改善层板的热均匀性。      

带起始气膜的大弯管发散冷却特性的数值研究

针对带起始气膜的大弯管发散冷却特性开展了三维数值模拟,对有无起始气膜的大弯管发散冷却结构进行了对比分析,并开展了主流速度、开孔率等参数对带起始气膜的大弯管发散冷却特性的影响研究。结果表明：带起始气膜的大弯管发散冷却结构能有效地改善无起始气膜的大弯管发散冷却结构前端冷效低的缺点,显著提高了大弯管整体的温度分布均匀性,平均综合冷却效率可提升10.8%-15.4%;主流速度的增大会增强主流与大弯管壁面的对流换热,引起壁面温度升高;开孔率的增加使得大弯管整体的冷却效率呈上升趋势,单位面积冷气流量的增加减小了开孔率带来的差异。     

开孔率对加力燃烧室隔热屏冷却特性的影响

为了分析开孔率对航空发动机加力燃烧室隔热屏流动和冷却特性的影响,建立了双层壁隔热屏结构。在给定冲击距、发散板与冲击板开孔面积比的条件下,对开孔率为0.6%和0.8%的冲击发散冷却结构进行数值模拟,获得了发动机真实工作状态下的气动参数、几何参数对流量系数和综合冷却效率的影响规律。结果表明：冲击孔、发散孔流量系数沿主流方向略微增大,随着开孔率由0.6%增大到0.8%,不同吹风比下冲击孔的流量系数均减小,而气膜孔的流量系数变化不明显,在吹风比由0.2增加到0.8时,0.6%开孔率结构的综合流量系数增幅明显高于0.8%的;在吹风比为0.2时,0.6%开孔率结构上游区综合冷效优于0.8%开孔率结构的,而在下游区则正好相反,在吹风比为0.3～0.8时,0.8%开孔率结构各区域的综合冷效均高于0.6%开孔率结构的。     

逆向进气复合角发散冷却孔流量系数试验

针对回流燃烧室外环壁面冷气与燃气流动方向相反的情况,试验研究了发散孔进气方向与环腔通道气流流动方向相反的条件下,复合角发散冷却孔流量系数随发散孔倾角(25°~55°)、偏角(90°~180°)及压降系数等参数的变化规律。研究结果表明:复合角发散孔的流量系数随倾角的增大而增大,随偏角的增大而减小;随着压降系数的增大,复合角发散孔的流量系数先呈近似线性增长,当压降系数大于0.95后,呈非线性增长且增长速度减缓。      

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。      

折流燃烧室外环前端发散孔综合冷却效率模型实验

针对某型折流燃烧室外环壳体前端典型区域,设计了模拟主流局部流场的发散冷却模型.通过红外热像仪测量发散孔板表面的温度场,分析比较了吹风比、发散孔阵列方式、孔径及开孔率对综合冷却效率的影响.发散孔阵列方式有正菱形、长菱形和超长菱形3种,孔径变化范围为0.6~1.0mm,开孔率范围为3%~6%,吹风比变化范围为1~6.结果表明:由于壳体前端回流区的影响,发散孔板综合冷却效率沿主流方向整体呈现先升高后降低的趋势.吹风比为2时的综合冷却效率最高,发散孔阵列呈长菱形排布较优.在相同的开孔率下,孔径的减小有利于改善综合冷却效率.发散孔板开孔率从3%增加到4.8%可以显著提高综合冷却效率.      

预旋进气小尺寸涡轮叶片冷却的流场研究

为了了解和掌握一种具有直通式冷气预旋进气系统的小型燃气轮机涡轮转子叶片的流场,在旋转雷诺数Reθ=4.66×106和冷却空气的无量纲质量流量Cw=1750时改变预旋角θ的大小,使其在15°～90°变化,通过数值研究得到了预旋角对涡轮盘腔、连管和涡轮叶片内冷却空气的流动以及叶栅通道中燃气的流动的影响。结果表明:(1)预旋角的变化会改变涡轮盘腔、连管和涡轮叶片冷气进口附近局部区域的流场,但是对涡轮叶片内其它区域和叶栅通道中的流动基本没有影响。(2)随着预旋角的增大,涡轮盘腔内预旋进气冷气射流的轴向穿透深度先增大后减小;当θ<45°时冷却空气沿外围屏流向转盘接收孔,而当θ>45°时冷却空气沿内围屏流向转盘接收孔;气流的周向速度随着预旋角的增大而减小。(3)垂直进气时连管内存在多个回流区和很大的涡流,流动损失较大,而采用预旋进气能够减弱或消除这些流动结构,存在最优预旋角θopt,θopt≈45°,此时连管的有效流通面积最大。     

大弯管冲击/发散冷却特性的数值计算与分析

采用Fluent 软件对大弯管多方案冲击/发散冷却特性进行了流固耦合传热计算,得到了不同方案的壁温和综合冷却效率的分布规律,并开展了大弯管壁温试验。结果表明:①流量系数和总压损失系数与当量流动面积有关,当量流动面积相同时,各方案的流量系数及总压损失系数相差不大;②在当量流动面积相同的条件下,增加发散孔开孔面积、减小冲击孔开孔面积对提高综合冷却效率有利;③发散孔及冲击孔的排布形式会影响综合冷却效率,在孔数、孔径、开孔面积均相同的条件下,六边形排布优于菱形排布。      

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。      

冲击加多斜孔双层壁冷却方式气膜绝热温比研究

采用传热传质类比方法,对冲击加多斜孔双层壁冷却方式气膜绝热温比进行了实验研究。主要考虑了双层壁夹缝高度、冲击壁、吹风比、孔排列方式、以及孔间距对局部绝热温比的影响。并且给出了根据 5种几何结构实验板的展向平均绝热温比沿流向的分布运用最小二乘法拟合公式。研究结果表明:对某一确定几何结构的多斜孔实验板,加冲击壁与否以及双层壁间夹缝高度的变化对相同吹风比下的绝热温比影响甚小,局部绝热温比的分布主要取决于吹风比和孔阵排列方式。从绝热温比考虑,叉排长菱形排布比较理想。      

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%。      

多斜孔气膜冷却壁表面换热系数实验研究

采用恒热流法,对４种不同结构实验板的多斜孔气膜冷却壁表面换热系数进行了实验研究,研究的主阿影响因素有：吹风比、孔排列方式、孔间距和孔排距等,实验主流雷诺数约为１７０００,吹风比Ｍ＝１￣４。实验结果表明：引入气膜冷却使表面换热系数明显增强;单一实验板换热随吹风比增大而增强;在相同单位面积开孔率情况下,列间距的影响大于排间距,即列间距越小换热越强。     

不同偏角多斜孔壁气膜冷却绝热温比研究

用传热传质类比实验的方法,研究了不同偏角多斜孔壁气膜冷却绝热温比,多斜孔壁由多斜孔实验板模拟。多斜孔实验板中,孔排列方式均为叉排,小孔与板表面夹角均为３０°,偏角从０°变化至５０°,孔排距比与孔间距比基本相等。研究结果揭示了不同孔偏角对多斜孔壁气膜冷却绝热温比的影响。     

基于结构参数分析的姊妹孔气膜冷却性能研究

以姊妹孔气膜冷却结构的偏转角度、倾斜角度和吹风比为因素,并以壁面平均气膜冷却效率为评价指标,应用田口方法设计了三因素五水平正交表,并结合数值计算对不同工况下的流场特征和冷却效率分布进行了分析。计算结果表明：高吹风比下姊妹孔冷却效率为常规圆柱孔冷却效率的165%~412.5%,正向10°偏转的姊妹孔冷却效率均大于负向10°偏转的姊妹孔冷却效率。参数化结果表明：吹风比为0.5、偏转角度为10°、倾斜角度为35°的结构表现出最佳冷却效果。     

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。     

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.      

Numerical Study of Flow and Heat Transfer Characteristics of Impingement/Effusion Cooling

Three-dimensional numerical simulation is carried out to investigate the flow and heat transfer characteristics of impingement/effusion cooling systems. The impingement/effusion holes are arranged on two parallel perforated plates respectively in a staggered manner. Every effusion hole has an inclined angle of 30° with respect to the surface. The two parallel plates are spaced three times the diameter of the effusion hole. The ratio of center-to-center spacing of adjacent holes to the diameter of the effusi...     

不同倾斜角多斜孔壁冷却方式绝热温比研究

对具有不同倾斜角多斜孔壁冷却方式绝热温比进行了研究。研究方法为传热传质类比实验方法。多斜孔壁由多斜孔试验板模拟。多斜孔试验板中小孔方向与主流夹角为0°,小孔与板表面夹角分别为30°,45°及150°.各多斜孔板的孔排距比与孔间距比保持一致。实验结果反映了不同孔倾斜角对多斜孔壁冷却方式气膜绝热温比的影响。并讨论了在航空发动机中采用多斜孔壁冷却方式时选择孔倾角的考虑。