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题目：
雅宝题库答案：
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雅宝题库解析：
气膜冷却技术作为航空发动机高温部件的主要冷却方式之一，在有效降低涡轮叶片表面温度和热应力方面发挥着重要作用，对其进行持续而深入的研究是提高航空发动机性能的重要途径。过去几十年里，关于孔形的研究工作主要集中于异形孔和出口附近设置扰流结构的气膜孔，这些结构在提高气膜冷却效果的同时，还带来了不容忽视的流动阻力，而且部分异形孔机械加工难度大，可实现性差。2007年NASA提出一种分叉形气膜冷却结构（简称“分叉孔”），但是并没有后续的研究，相关数据非常缺乏。从流动与换热的角度分析，分叉孔的结构优势在于：在一定程度上提高气膜冷却效果，并且没有引入过大的流动损失；不足之处在于：辅助小孔存在展向倾角，给机械加工带来一定难度，同时增加主流扰动对气膜冷却效果的影响。针对分叉孔的不足，本文提出一种新的气膜孔排列方式，即在圆柱孔两侧分别开设一个平行的辅助小孔（简称“大小孔”），在保证气膜冷却效果的同时，进一步降低机械加工难度，削弱主流扰动对气膜冷却效果的影响。分叉孔和大小孔都是通过设置辅助小孔提高气膜冷却效果，本文将二者统称为小孔辅助结构。本文设计了圆柱孔、扇形孔、分叉孔、大小孔共四个模型，采用理论分析、实验研究及数值模拟相结合的方法，对比分析小孔辅助结构提高气膜冷却效果的机理。通过理论分析对平板气膜冷却流动和换热的控制方程组进行合理的简化和归一化处理，确定影响气膜冷却效果的主要无量纲参数：吹风比、主流雷诺数、无量纲距离。采用稳态液晶测温方法进行气膜冷却实验，对比研究分叉孔和大小孔的冷效分布。结果表明：所有工况下，分叉孔和大小孔的冷效与圆柱孔相比，均有一定程度的提高。吹风比越大，气膜冷却效果改善越明显，大小孔的冷效始终高于分叉孔。扇形孔只在吹风比M≥1.0时，才起到改善气膜冷却效果的作用。采用粒子示踪技术进行平板气膜冷却的流动显示实验，观察气膜孔下游肾形涡的拓扑结构、冷气与主流的掺混情况，从流动结构角度分析小孔辅助结构提高气膜冷却效果的机理。结果表明：①辅助小孔对冷气流量的分配，导致主孔冷气流量降低，当量吹风比减小，主孔肾形涡减弱，流动结构得到改善；②辅助小孔肾形涡与主孔肾形涡相互干涉，抑制主孔冷气射流脱离壁面，气膜覆壁效果提高；③辅助小孔肾形涡阻碍主孔肾形涡将主流热气卷入射流中心，延缓冷气与主流的掺混，冷却空气品质提高；④辅助小孔射流增加冷气的展向覆盖宽度。对比分叉孔和大小孔的流动和换热特性，大小孔的结构优势在于：辅助小孔与主气膜孔平行，不存在展向倾角，小孔射流受到主流的剪切作用减弱，流动损失减小，削弱主流扰动对气膜冷却效果的影响，同时进一步降低机械加工难度。采用各项同性的k-ε湍流模型对平板气膜冷却进行数值模拟，数值计算得到的冷效分布规律与实验结果一致，但是由于气膜冷却流动的复杂性和湍流模型的不完善，数值计算结果要偏小一些。最后通过数值模拟方法，对分叉孔和大小孔的几个重要几何参数进行优化。结果表明：辅助小孔与主孔的孔径比和辅助小孔的出口位置对气膜冷却效果起到了决定性的作用。只有当辅助小孔的出口位于主气膜孔上游，并且主辅孔展向间距与小孔孔径的比值P2/d2=1.5~2.0时，才会获得较好的气膜冷却效果。 |
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发表于 2022-9-7 17:05:50
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