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(dòng)機(jī)渦輪前入口溫度的進(jìn)一步提高，傳統(tǒng)的葉片冷卻結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能很好滿(mǎn)足這一要求，必然要求新的葉片冷卻結(jié)構(gòu)或冷卻方式與之相適應(yīng)?！皼_擊/氣膜”復(fù)合冷卻為實(shí)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(yīng)用了此技術(shù)。“層板葉片”、及“雙層壁葉片”已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者在發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件冷卻方面的研究熱點(diǎn)，這些冷卻結(jié)構(gòu)的共同特點(diǎn)是集沖擊冷卻、對(duì)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(diǎn)，被認(rèn)為是下一代

2、航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。為了將雙層壁換熱結(jié)構(gòu)推廣應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)工作葉片并優(yōu)化其換熱結(jié)構(gòu)，本文運(yùn)用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值方法對(duì)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(kāi)了深入細(xì)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(wú)因次通道高度z/d及沖擊孔與氣膜孔沿流向相對(duì)距離p/df等流動(dòng)參數(shù)和幾何參數(shù)，對(duì)“沖擊/氣膜”復(fù)合冷卻內(nèi)部流動(dòng)換熱展開(kāi)研究，揭示氣膜孔局部換熱特點(diǎn)以及其與沖擊

3、換熱的相互影響過(guò)程，為進(jìn)一步細(xì)化雙層壁內(nèi)部結(jié)構(gòu)、解決沖擊換熱所占比例問(wèn)題提供理論上的指導(dǎo)。接著，在實(shí)驗(yàn)工況下數(shù)值研究了實(shí)驗(yàn)件內(nèi)部的流動(dòng)換熱情況，進(jìn)一步揭示流場(chǎng)的細(xì)節(jié)，解釋實(shí)驗(yàn)流動(dòng)換熱的規(guī)律。研究表明，氣膜出流對(duì)冷氣側(cè)氣膜孔附近壁面換熱的強(qiáng)化小于沖擊對(duì)壁面換熱的強(qiáng)化。氣膜孔與沖擊孔的相對(duì)距離太小時(shí)，容易導(dǎo)致沖擊射流未充分沖擊冷卻沖擊靶面，有相當(dāng)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(duì)距離時(shí)，氣膜冷

4、卻介質(zhì)抽出對(duì)靶面的換熱是有益的；一方面是由于氣膜溢流對(duì)換熱的強(qiáng)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(duì)射流的偏轉(zhuǎn)。 根據(jù)沖擊與氣膜出流各自的換熱特點(diǎn)及彼此間的相互影響，并考慮到葉片內(nèi)外壁之間導(dǎo)熱可能對(duì)葉片內(nèi)部換熱作出的貢獻(xiàn)以及旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)等，本文提出了一種“沖擊/稀疏氣膜”雙層壁換熱結(jié)構(gòu)，旨在將其應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)工作葉片。首先對(duì)其內(nèi)部流動(dòng)換熱過(guò)程在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下進(jìn)行建模并理論分析，研究其實(shí)質(zhì)的物理過(guò)程，并推導(dǎo)基本控制方程解

5、的一般函數(shù)關(guān)系式，從而得到物理問(wèn)題的主要影響因素，為進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬提供指導(dǎo)。 旋轉(zhuǎn)條件下，針對(duì)所提出的“沖擊/稀疏氣膜”雙層壁換熱結(jié)構(gòu)，并在前面理論分析的基礎(chǔ)上，對(duì)這種冷卻結(jié)構(gòu)的內(nèi)部平均換熱特性進(jìn)行了研究，得到?jīng)_擊雷諾數(shù)Rej、旋轉(zhuǎn)數(shù)Ro、無(wú)因次溫比(Tw-Tf)/Tw對(duì)換熱的影響規(guī)律。為了重點(diǎn)考察該結(jié)構(gòu)內(nèi)部導(dǎo)熱隔板對(duì)換熱的貢獻(xiàn)，同時(shí)進(jìn)行了隔板絕熱時(shí)換熱實(shí)驗(yàn)，把其實(shí)驗(yàn)結(jié)果與隔板導(dǎo)熱時(shí)的情況進(jìn)行了對(duì)比，定量給出隔板對(duì)

6、換熱的強(qiáng)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(duì)換熱有削弱作用；實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)浮升力對(duì)換熱的影響較小；離心力、哥氏力等對(duì)換熱的影響程度與內(nèi)部空氣的流動(dòng)結(jié)構(gòu)及出流方式有關(guān)；通過(guò)對(duì)隔板導(dǎo)熱時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與隔板絕熱時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較發(fā)現(xiàn)，在不同的流動(dòng)和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，前者換熱能力強(qiáng)于后者15％以上。在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，運(yùn)用RSM湍流模型對(duì)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下“沖擊/稀疏氣膜”雙層壁內(nèi)部流動(dòng)換熱進(jìn)行了詳細(xì)的三維數(shù)值模擬，計(jì)算與實(shí)驗(yàn)工況相同。數(shù)值模擬

7、詳細(xì)、全面地展現(xiàn)了雙層壁內(nèi)部復(fù)雜的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和換熱分布，尤其是對(duì)旋轉(zhuǎn)所帶來(lái)的流場(chǎng)的新特征都進(jìn)行了細(xì)致的揭示。數(shù)值模擬結(jié)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(dòng)結(jié)構(gòu)的存在對(duì)換熱有顯著的影響，也進(jìn)一步說(shuō)明了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的變化趨勢(shì)。 最后，在真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)工況下，對(duì)帶燃?xì)庵髁鞯碾p層壁結(jié)構(gòu)的葉盆燃?xì)鈧?cè)換熱特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與全氣膜冷卻以及無(wú)內(nèi)部對(duì)流全氣膜的情況進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，雙層壁結(jié)構(gòu)葉片換熱特性明顯優(yōu)于全氣膜的情