靜止和旋轉(zhuǎn)條件下“沖擊-稀疏氣膜”雙層壁換熱特性研究.pdf

1、隨著航空發(fā)動機渦輪前入口溫度的進一步提高，傳統(tǒng)的葉片冷卻結構已經(jīng)不能很好滿足這一要求，必然要求新的葉片冷卻結構或冷卻方式與之相適應?！皼_擊/氣膜”復合冷卻為實現(xiàn)渦輪靜止葉片高效低阻的冷卻發(fā)揮了很大作用，一些渦輪轉(zhuǎn)子葉片也在葉片前緣應用了此技術?！皩影迦~片”、及“雙層壁葉片”已經(jīng)成為國內(nèi)外學者在發(fā)動機高溫部件冷卻方面的研究熱點，這些冷卻結構的共同特點是集沖擊冷卻、對流冷卻和氣膜冷卻于一體，具有冷氣消耗量少、冷卻效率高的優(yōu)點，被認為是下一代

2、航空發(fā)動機的關鍵技術。為了將雙層壁換熱結構推廣應用于旋轉(zhuǎn)工作葉片并優(yōu)化其換熱結構，本文運用實驗和數(shù)值方法對靜止和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下“沖擊/稀疏氣膜”雙層壁換熱特性展開了深入細致的研究。 靜止條件下，改變沖擊雷諾數(shù)Rej、橫流射流密流比Gc/Gj、氣膜出流與橫流密流比Gf/Gc、無因次通道高度z/d及沖擊孔與氣膜孔沿流向相對距離p/df等流動參數(shù)和幾何參數(shù)，對“沖擊/氣膜”復合冷卻內(nèi)部流動換熱展開研究，揭示氣膜孔局部換熱特點以及其與沖擊

3、換熱的相互影響過程，為進一步細化雙層壁內(nèi)部結構、解決沖擊換熱所占比例問題提供理論上的指導。接著，在實驗工況下數(shù)值研究了實驗件內(nèi)部的流動換熱情況，進一步揭示流場的細節(jié)，解釋實驗流動換熱的規(guī)律。研究表明，氣膜出流對冷氣側氣膜孔附近壁面換熱的強化小于沖擊對壁面換熱的強化。氣膜孔與沖擊孔的相對距離太小時，容易導致沖擊射流未充分沖擊冷卻沖擊靶面，有相當一部分直接從氣膜孔流出，降低了沖擊射流的沖擊冷卻效率。氣膜孔與沖擊孔的有一定的相對距離時，氣膜冷

4、卻介質(zhì)抽出對靶面的換熱是有益的；一方面是由于氣膜溢流對換熱的強化，另一方面是冷卻介質(zhì)的抽出減少了橫流，減小了橫流對射流的偏轉(zhuǎn)。 根據(jù)沖擊與氣膜出流各自的換熱特點及彼此間的相互影響，并考慮到葉片內(nèi)外壁之間導熱可能對葉片內(nèi)部換熱作出的貢獻以及旋轉(zhuǎn)流場的結構等，本文提出了一種“沖擊/稀疏氣膜”雙層壁換熱結構，旨在將其應用于旋轉(zhuǎn)工作葉片。首先對其內(nèi)部流動換熱過程在旋轉(zhuǎn)坐標下進行建模并理論分析，研究其實質(zhì)的物理過程，并推導基本控制方程解

5、的一般函數(shù)關系式，從而得到物理問題的主要影響因素，為進一步的實驗研究和數(shù)值模擬提供指導。 旋轉(zhuǎn)條件下，針對所提出的“沖擊/稀疏氣膜”雙層壁換熱結構，并在前面理論分析的基礎上，對這種冷卻結構的內(nèi)部平均換熱特性進行了研究，得到?jīng)_擊雷諾數(shù)Rej、旋轉(zhuǎn)數(shù)Ro、無因次溫比(Tw-Tf)/Tw對換熱的影響規(guī)律。為了重點考察該結構內(nèi)部導熱隔板對換熱的貢獻，同時進行了隔板絕熱時換熱實驗，把其實驗結果與隔板導熱時的情況進行了對比，定量給出隔板對

6、換熱的強化程度。研究表明，靶面的換熱隨沖擊雷諾數(shù)的增加而變好；旋轉(zhuǎn)對換熱有削弱作用；實驗范圍內(nèi)浮升力對換熱的影響較??；離心力、哥氏力等對換熱的影響程度與內(nèi)部空氣的流動結構及出流方式有關；通過對隔板導熱時實驗結果與隔板絕熱時實驗結果的比較發(fā)現(xiàn)，在不同的流動和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，前者換熱能力強于后者15％以上。在實驗研究的基礎上，運用RSM湍流模型對旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下“沖擊/稀疏氣膜”雙層壁內(nèi)部流動換熱進行了詳細的三維數(shù)值模擬，計算與實驗工況相同。數(shù)值模擬

7、詳細、全面地展現(xiàn)了雙層壁內(nèi)部復雜的流場結構和換熱分布，尤其是對旋轉(zhuǎn)所帶來的流場的新特征都進行了細致的揭示。數(shù)值模擬結果表明，沖擊射流偏轉(zhuǎn)、沖擊翻卷渦、二次流及氣膜出流等這些流動結構的存在對換熱有顯著的影響，也進一步說明了實驗結果的變化趨勢。 最后，在真實發(fā)動機工況下，對帶燃氣主流的雙層壁結構的葉盆燃氣側換熱特性進行了數(shù)值模擬，并與全氣膜冷卻以及無內(nèi)部對流全氣膜的情況進行了對比。結果表明，雙層壁結構葉片換熱特性明顯優(yōu)于全氣膜的情