單排氣膜和多孔全覆蓋氣膜冷卻研究.pdf

1、氣膜冷卻在現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)火焰筒和渦輪葉片等熱端部件冷卻結(jié)構(gòu)中具有十分重要的作用。盡管國(guó)內(nèi)外針對(duì)氣膜冷卻已經(jīng)開展了大量的研究，但進(jìn)一步提高氣膜冷卻的性能仍然是一個(gè)富于挑戰(zhàn)和創(chuàng)新的研究課題，其核心問題在于降低氣膜出流向主流的穿透率、增強(qiáng)氣膜出流在擴(kuò)展區(qū)域擴(kuò)散的覆蓋面積。本文圍繞提高氣膜冷卻效率的研究目標(biāo)，研究?jī)?nèi)容包含兩個(gè)方面：其一，針對(duì)單排氣膜孔冷卻結(jié)構(gòu)，提出一種在氣膜孔前緣設(shè)置異形突片改善氣膜冷卻效率的技術(shù)途徑，通過數(shù)值和實(shí)驗(yàn)研究分析和探討

2、氣膜孔前緣設(shè)置異形突片結(jié)構(gòu)的流動(dòng)傳熱特性，揭示其強(qiáng)化冷卻的物理特征；其二，針對(duì)多孔全覆蓋氣膜冷卻結(jié)構(gòu)，通過多孔壁內(nèi)外流耦合條件下的流動(dòng)傳熱特性數(shù)值研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)研究氣膜孔排布方式、開孔率和吹風(fēng)比等因素對(duì)于多孔全覆蓋氣膜冷卻特性的影響規(guī)律，探討氣膜孔排布方式的優(yōu)化方案。
　　 對(duì)氣膜孔前緣異形突片影響氣膜出流流動(dòng)和冷卻效果的機(jī)制進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，氣膜孔前緣異形突片改變了氣膜出流的速度剖面特征，一方面沿流向的峰值速度增

3、加，另一方面，峰值速度對(duì)應(yīng)的壁面法向距離減小。體現(xiàn)了突片不僅具有抑制氣膜出流向主流穿透的作用，而且具有提高氣膜出流的展向覆蓋和向下游延伸的能力。因此，與常規(guī)圓柱形氣膜孔相比，帶前緣異形突片的圓柱形氣膜孔能夠有效改善氣膜絕熱冷卻效率。
　　 對(duì)帶有前緣異形突片氣膜冷卻結(jié)構(gòu)的流動(dòng)換熱特性進(jìn)行數(shù)值模擬研究和實(shí)驗(yàn)研究，總結(jié)歸納出異形突片結(jié)構(gòu)參數(shù)在不同吹風(fēng)比下對(duì)氣膜絕熱冷卻效率、對(duì)流換熱系數(shù)和流量系數(shù)的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，在適當(dāng)?shù)耐黄?/p>

4、堵塞比范圍內(nèi)，隨著吹風(fēng)比和堵塞比的增大，突片抑制氣膜出流穿透的作用增強(qiáng)，有利于提高氣膜的絕熱冷卻效率；但堵塞比過大也會(huì)引起孔口附近流場(chǎng)的嚴(yán)重分離，主次流摻混加劇，從而使氣膜絕熱冷卻效率惡化。因此在不同的吹風(fēng)比下存在著最佳堵塞比，一般來(lái)說(shuō)，小吹風(fēng)比工況對(duì)應(yīng)的最佳堵塞比較小，隨著吹風(fēng)比增大，最佳堵塞比也隨之增大。隨著突片堵塞比的增大，對(duì)流換熱系數(shù)增大，流量系數(shù)減小。
　　 開展了氣膜孔前緣異形突片與后緣擴(kuò)展型面的匹配研究，揭示了突片

5、作用下的擴(kuò)展型氣膜孔冷卻結(jié)構(gòu)的流動(dòng)特征和對(duì)流換熱特性，并分析和歸納了異形突片和擴(kuò)展孔結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)氣膜絕熱冷卻效率、對(duì)流換熱系數(shù)和流量系數(shù)的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，改變氣膜孔擴(kuò)展型面的流向擴(kuò)展角和展向擴(kuò)展角同樣可以使氣膜出流卵形渦對(duì)重新排布，從而改善氣膜絕熱冷卻效率，流向擴(kuò)展角的影響程度要大于展向擴(kuò)展角。前緣異形突片與后緣擴(kuò)展型面有一定的匹配原則，對(duì)于展向擴(kuò)展角比較大的氣膜孔，異形突片提高氣膜絕熱冷卻效率的作用明顯；對(duì)于只有流向擴(kuò)展角的氣膜

6、孔結(jié)構(gòu)，在氣膜孔前緣放置突片并不一定具有改善氣膜絕熱冷卻效率的作用。
　　 通過數(shù)值模擬方法，對(duì)多孔全覆蓋氣膜冷卻方式的氣膜絕熱冷卻效率、熱側(cè)和冷側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)以及流量系數(shù)進(jìn)行了研究，歸納了氣膜孔排布方式、開孔率、吹風(fēng)比等因素對(duì)于多孔壁流動(dòng)特性和冷卻特性的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，氣膜孔陣列超長(zhǎng)菱形排布是較優(yōu)的排布方案，在該排布方式下，氣膜出流向主流的穿透相對(duì)較弱，氣膜沿展向的覆蓋率也較高；吹風(fēng)比是影響熱側(cè)和冷側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)的最主

7、要因素，隨著吹風(fēng)比增加，熱側(cè)和冷側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。依據(jù)多孔全覆蓋氣膜冷卻的氣膜出流疊加和發(fā)展特征，提出了氣膜充分發(fā)展的概念，獲得了氣膜出流達(dá)到充分發(fā)展所對(duì)應(yīng)的孔排數(shù)以及相應(yīng)的絕熱冷卻效率關(guān)聯(lián)式，并對(duì)主次流溫度比的影響進(jìn)行了修正。
　　 開展了多孔全覆蓋氣膜冷卻綜合冷卻效率的數(shù)值研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，分析了氣膜孔的孔徑、開孔率和孔陣排布方式等幾何參數(shù)以及吹風(fēng)比對(duì)多孔壁綜合冷卻效率的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，氣膜孔排布方式對(duì)綜