“冲击-气膜”双层腔内流动与换热机理研究

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“冲击-气膜”双层腔冷却结构是一种先进的涡轮叶片冷却结构，其将内表面的冲击冷却与外表面的气膜冷却结合起来，通过内部冲击与外部气膜的合理配合来共同完成对叶片的冷却。该结构具有冷气用量少、冷却效果高等优点，被认为是下一代发动机涡轮叶片冷却的关键技术。本文从中提取了最小的结构单元，并根据实验条件进行了相应的简化，通过实验及数值模拟的方法，对冲击腔内的流动与换热特性进行了详细的研究。为了更准确的对“冲击-气膜”双层腔内的流动换热特性进行研究，首先在相似理论的指导下，对控制方程进行无量纲分析，得到影响腔内流动换热的主要因素，然后确定了研究内容，并设计了4种放大尺寸的实验模型。为了得到冲击孔位置、冲击距、冲击雷诺数等参数对靶面换热特性的影响规律，在静止状态下，应用瞬态实验技术对4种不同实验模型的靶面Nu数进行了测量，实验结果表明：冲击孔在腔内1/3位置时靶面的换热要好于冲击孔在腔内1/2位置时；冲击距越小，冲击雷诺数越高，靶面的换热效果越好。对旋转换热实验台进行改进，使其满足瞬态实验的要求。在旋转坐标系下，应用瞬态实验技术对4种不同实验模型的靶面Nu数进行了测量，以获得旋转状态下“冲击-气膜”双层腔内的靶面换热特性。实验结果表明：冲击距和旋转数是影响旋转状态下腔内流动与换热特性的两个重要因素。冲击距越大，旋转对腔内流动与换热的影响就越大；旋转数越大，腔内流动与换热的特性的变化也就越大。当冲击距较大时，旋转所衍生的哥氏力会使得冲击射流发生弯曲，冲击驻点会发生偏移，吸力面与压力面的情况刚好相反。同时旋转使得冲击射流核心区的扩散加剧，靶面的换热会得到削弱。当冲击距较小时，惯性力的作用效果较强，旋转所带来的影响很小。同时，运用商用CFD软件对4种模型的实验工况进行了详细的数值模拟，并对和两种湍流模型进行了对比，结果表明湍流模型可以从趋势上更好的反应“冲击-气膜”双层腔内的流动与换热特性，但数值上要略高于实验结果。为了得到更大范围内旋转的影响规律，应用数值计算的方法对实验参数进行了扩展，结果表明：旋转可以明显的改变腔内的流动结构，在旋转状态下，背离射流弯曲方向的涡会逐渐脱落，而破裂为两个涡，并且随着转速的提高，原有的涡会越来越小，新生的涡会越来越大，并最终破裂，形成无规则的流场结构。冲击距对旋转状态下腔内的流动结构起到了决定性的作用，冲击距越小，腔内的流动越稳定，旋转对流动的影响越小，射流两侧的涡越不易破裂，最终所带来的换热效果也会越好。最后对“冲击-气膜”双层腔结构在叶片中的设计方法进行了一个初步的探索，根据其结构特点，提出了流体网络及热网络模型，并通过数值模拟得到了流体网络及热网络计算中所需要的一维数据，然后将一维数据应用到叶片的流体网络与热网络耦合的求解程序中，在近真实的发动机涡轮参数下，应用流体网络与热网络耦合的求解程序得到叶片上的温度分布，并与三维CFD计算得到的结果进行对比，验证了热网络模型的正确性。

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