径向内流旋转盘腔流动与换热研究

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在现代航空发动机中，提高压气机增压比和涡轮前进口温度是提高航空发动机推力和推重比，降低航空发动机油耗的主要方法。由于现有航空发动机热端部件材料不能够承受越来越高的燃气进口温度，所以航空发动机都设计有先进的内流空气冷却系统，其主要作用是冷却涡轮等热端部件，保证航空发动机可靠、高效的工作。因此，内流冷却空气的流动和换热特性对热端部件的冷却效果有重要影响，进而决定航空发动机的工作效率和寿命。本文将实际航空发动机内流空气冷却系统的引气流动（高压压气机部分）简化为径向内流旋转盘腔模型，以模型实验和数值计算相结合的方法对该复杂旋转盘腔内的流动和盘面的换热进行研究，所得结果对实际航空发动机的设计有一定的参考价值和指导意义。本文首先从理论上对旋转状态下径向内流旋转盘腔流动的基本控制方程组进行了详细地分析，寻找影响流动和换热规律的主要无量纲准则数。分析结果表明，在旋转状态下流量系数和旋转雷诺数是影响径向内流旋转盘腔流动和换热的主要因素，旋转附加力（离心力、哥氏力等）的影响使得径向内流旋转盘腔内的流动十分复杂。本文有关径向内流旋转盘腔流动与换热实验是在北京航空航天大学航空发动机气动热力国家重点实验室的多功能旋转换热实验台上完成的，实验台工作直径1米，长度3米，实验盘直径670毫米。实验采用了先进的PIV技术测量旋转盘腔内的流动结构和速度场分布；热电偶配合旋转遥测系统测量对流换热特性；总压探针测量旋转盘腔的进出口总压降。实验获得了不同流量系数和旋转雷诺数情况下的流动和换热数据。研究表明：1）径向内流旋转盘腔流动是典型的源-汇流动，由源区、汇区、近壁埃克曼层和无粘核心区构成；2）标准源-汇流动在较小流量和旋转雷诺数下稳定存在，流量增大则容易失稳，出现源区充满旋转腔的情况；3）核心区内流体切向速度随旋转雷诺数的增大而增加，随流量系数的增加而减小；4）旋转盘面局部对流换热受流动影响出现多峰分布的规律，平均对流换热系数随旋转雷诺数和流量系数的增大而增强；5）旋转盘腔的总压降随旋转雷诺数的增加而增加。随流量系数的变化规律较复杂，在较小旋转雷诺数下，总压降随流量系数的增加而增加，在较大旋转雷诺数下，总压降随流量系数的增加先减小后增加；6）实验结果显示径向哥氏力和离心力是形成总压降的主要因素，在高转速下，径向哥氏力的作用超过离心力的影响，通过安装导流叶片，减少径向哥氏力，能够显著降低总压降。采用不同湍流模型对径向内流旋转盘腔流动与传热情况进行数值模拟，通过与实验数据的对比表明，应用SST k-ω湍流模型得到的计算结果在趋势上与实验结果相近，但数值上仍有较大差异。

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