振动平板气膜冷却的数值分析

采用数值方法模拟振动平板单孔气膜冷却过程,对比不同振动频率、不同振幅和不同吹风比下气膜孔中心线下游绝热壁面的有效温比曲线,并分析了气膜孔周围壁面相对静压分布.结果表明:振动会削弱气膜冷却效果;在吹风比λ=1.0下,不同振幅、不同振动频率振动时绝热壁面的有效温比比稳态时小,且在x/D10时,2种情况下有效温比的差距更明显;同一振动下,在吹风比小于0.6,x/D5振动时绝热壁面的有效温比比稳态时大,在x/D5振动时的有效温比比稳态时小;在吹风比大于0.6振动时的有效温比始终比稳态时小;振动时气膜孔周围壁面相对静压会出现周期性变化.     

入射角对气膜冷却效果影响的数值研究

采用Realizablekε-湍流模型对吹风比M=1.0时平板单圆孔不同入射角度的气膜冷却流场进行了三维定常数值模拟,得出了沿程速度、气膜冷却效率及壁面努塞尔数的分布,并对流场的流动和传热特性进行了详细分析.结果表明：随着入射角度的减小,射流在沿程方向的影响区域有所增加,最大速度点的位置逐渐下移,但并不是按入射角度减小成线性递减;在各种射流角度下,最大冷却效率均出现在气膜孔下游附近的区域,并沿程逐渐降低;当5〈x/d〈20时,冷却效率在入射角度α=10°时最大,α=70°时最小;射流下游壁面的Nu在分离点附近出现峰值,吹风比相同时,α=10°时Nu最大,α=70°时最小;在流动区域内存在反向涡旋对,小角度射流时气膜良好的贴壁性抑制了反向涡旋对的抬升和发展,其换热效果在展向的影响范围相对较小.     

双叉排孔脉动射流气膜冷却效率的实验与数值模拟研究

采用高精度红外热像仪测量了平板绝热气膜冷却效率,比较了双叉排孔和单排孔气膜冷却效率,分析了吹风比(M=0.65,1.0,1.5)和脉动频率(St=0,0.01,0.015,0.025)以及孔间作用对气膜冷却效率的影响,结合数值计算得到的瞬态流场和温度场分析了脉动射流气膜冷却下的流动传热机理。结果表明：在稳态射流工况下,单排孔的气膜冷却效率随着吹风比的增加而减小,双叉排孔的气膜冷却效率却随着吹风比的增加而增大;在脉动射流时,单排和双叉排孔的气膜冷却效率在低吹风比下低于稳态射流,在高吹风比下,脉动射流对气膜冷却效率的影响减小,且低频脉动射流气膜冷却效率略高于稳态射流。     

压力面气膜冷却射流复合角的数值研究

基于冷气喷射模型的验证结果,对复合角分别为0°、30°和60°三种条件下的叶片压力面前部单排孔喷射的气膜冷却特性进行了三维环形叶栅数值模拟,详细分析了在不同吹风比条件下的叶片气膜冷却效率特征。分析结果表明:Coolinh/Bleed冷气喷射模型得出的预测结果可靠。复合角使射流孔附近孔间区域冷却效率值升高。低吹风比下,复合角不能改善展向气膜冷却效率分布的均匀性;高吹风比下,复合角使展向气膜冷却效率更加均匀分布,且可减弱冷却射流脱离壁面的程度。但是,复合角不一定能增强冷却孔下游的整体气膜冷却效果。     

复合扩张角对平板扇形孔冷却特性的影响研究

为了研究扇形孔不同复合扩张角对平板气膜冷却的影响,分别对10°、12°、14°、16°4种复合扩张角的气膜孔的流动和传热特性进行了数值模拟。研究结果表明,4种气膜孔复合扩张角孔型出口下游均出现从中心向上抬升的反向旋转涡对,将主流燃气卷吸进来;较大的复合扩张角孔型使得气膜出流在侧向覆盖相对更宽,可以有效地降低壁面温度;在相同吹风比下(M=0.75～1.75),12°复合扩张角孔型在气膜出流方向(40D范围区域)的平均绝热冷却效率明显要高于其他3种孔;吹风比M=1时,冷气出流复合扩张角增大的同时,冷却效率η≥0.3的覆盖面从X/D≈40减小到X/D≈8。同时,针对侧向扩张12°的7种不同后倾角的扇形孔进行了研究,发现其后倾角(范围10°～14°)的变化对冷却效率有一定的增强作用。研究成果可为燃气轮机透平叶片表面气膜孔的设计及升级改进提供参考。     

复合角度对称射流气膜冷却效率的数值研究

采用 realizable k-ε模型,通过数值模拟分析了各种孔排结构在不同吹风比下对气膜冷却效率的影响.结果表明:边界层等温线反映了上、下游射流孔所产生的射流之间的相互作用;当吹风比M=O.5时,由于射流紧贴壁面,各种孔排结构都有较好的冷却效果,随着吹风比的增大,射流逐渐脱离壁面;当顺排排列时,由于上游射流孔的作用,使得下游射流能很好地贴附壁面,在M=2.0时,冷却效果仍然较好;孔排 3 在M=0.5 时有较高的冷却效率;而对于孔排1,当M=1时,气膜在x/d=2区域以后有很好的保护作用.     

利用波形槽改善气膜冷却效率的数值研究

为研究具有波形槽结构的冷却孔出口和波形槽扩散角对涡轮叶片气膜冷却效率的影响,设计了3种不同的扩散角波形槽结构,采用数值模拟方法研究了波形槽的下游速度场、温度场及壁面的气膜冷却效率,分析了波形槽及其扩散角对气膜冷却效率的影响。结果表明:在同一吹风比M=1.5时,与标准圆柱孔相比,波形槽结构的展向平均气膜冷却效率提高200%~300%;与横向槽相比,波形槽结构展向平均气膜冷却效率提高60%~120%;小吹风比条件下,3种扩散角波形槽结构的平均气膜冷却效率差别不大,大吹风比条件下,小扩散角波形槽结构具有较高的平均气膜冷却效率。     

气膜孔布置对旋流双层壁结构流动传热特性影响研究

为了研究气膜孔复合角和孔排布方式对冲击诱导旋流气膜双层壁冷却流动与耦合传热的影响,采用流固耦合的数值计算方法,对不同吹风比下4种气膜孔复合角的综合冷却效率和射流流动结构进行了详细研究,同时研究了两种气膜孔排布方式对旋流双层壁结构流动和传热的影响,揭示了4种气膜孔复合角θ下射流空间旋涡的形成、发展和演化过程,并对比分析了不同吹风比下4种气膜孔复合角对面积平均综合冷却效率和总压损失系数的影响。结果表明：气膜孔排布方式不同时,气膜孔复合角对综合冷却效率的影响相差较大。吹风比为1.0时,单旋流交错排布方式下增大气膜孔复合角可以有效提高射流的展向覆盖范围,从而提高综合冷却效率,θ=30°时的面积平均综合冷却效率比θ=0°时高约14.22%;双旋流交错排布时θ=30°比θ=0°时的面积综合冷却效率提高约4.58%。吹风比增加到2.0时,由于射流穿透主流吹离了冷却壁面,降低了气膜保护效果,使得冷却壁面均匀性变差,并且双旋流交错排布时尤为明显。随着吹风比的增加,两种气膜孔排布方式的总压损失系数均呈指数形式增加。     

扇形孔出口宽度对气膜冷却效率影响

数值模拟了不同出口宽度的扇形孔射流在不同吹风比下的气膜冷却效率,侧重于分析涡流结构和涡量对冷却效率的影响。结果表明,出口宽度增大不但减小了涡量,还改变了涡流方向。出口宽度增大到2.5倍入口直径时,孔中心下游冷气流线由燃气指向壁面,有效改进冷气贴附性。气膜孔出口宽度越大,冷却效率越大。随着吹风比的增加,气膜孔出口宽度对冷却效率影响越明显。     

流向涡对扇形孔气膜冷却效果影响的实验研究

在平板气膜实验台上安装涡流发生器(VG)来模拟叶栅中的流向涡,利用红外相机测量吹风比M=0.5～2.5时的气膜冷却效率和传热系数,分析二次流对扇形孔气膜冷却效果的影响.结果 表明:流向涡增强了主流与气膜射流的掺混,导致气膜绝热冷却效率明显下降以及覆盖面积减小,气膜面平均冷却效率最高降低了63％;当吹风比达到2.5时,流向涡能抑制扇形孔射流在高吹风比时的吹离趋势,抵消了部分主流与冷气掺混导致的气膜横向平均冷却效率降低的影响;流向涡使气膜与壁面的横向传热系数比增大了3.5％,壁面的热通量比最高上升了20％,在低吹风比时气膜失去了对壁面的保护作用.     

姊妹孔与单入双出孔平板气膜冷却效率的数值模拟

采用Fluent分离隐式求解器进行稳态计算,在吹风比为0.5、1.0、1.5和2.0的情况下,采用Realizable k-ε湍流模型对圆柱孔、单入双出孔和姊妹孔平板气膜冷却进行数值模拟,讨论不同孔形平板主流方向和平板横向的冷却效率以及流场变化.结果表明:主流方向在近孔区域姊妹孔冷却效率高于单入双出孔,且随着吹风比的增大优势更加明显,但是由于射流贴附壁面较早,射流与主流掺混引起动量损失,到远孔区域以后,姊妹孔冷却效率稍微下降,低于单入双出孔;姊妹孔平板横向近孔区域的气膜层分布较均匀,单入双出孔远孔区域由于主孔与次孔射流速度差引起气膜层偏移,导致平板一侧冷却效果好,另一侧冷却效果欠佳;吹风比较小时单入双出孔冷却效果较佳,大吹风比下姊妹孔优势明显.     

基于模态分析的非定常气膜冷却数值研究

为了研究非定常气膜冷却的强化冷却机理,利用大涡模拟对非定常圆孔气膜冷却进行数值模拟,研究了4种不同脉动频率下(St=0,0.2,0.3,0.5)的涡结构与气膜冷却效率,并利用动态模态分解对计算结果进行分析,研究流场与换热的耦合机理。结果表明：脉动频率对非定常射流气膜冷却效率的影响较大,当St=0.2时气膜冷却效率与稳态射流相似,当St=0.3时气膜冷却效率比稳态高,而当St=0.5时气膜冷却效率反而会降低;当St=0.3时非定常射流能抑制下游发卡涡的生成并加速其破碎,从而提高气膜冷却效率;射流脉动产生了很多次生涡结构,这些涡结构促进了在流向方向上射流与主流的掺混,但是抑制了展向上的射流与主流掺混。     

旋转状态平板收敛缝形气膜孔改善 冷却效果的数值研究

数值研究了旋转状态下收敛缝形气膜孔结构的冷却特性，并与圆形孔对比，得到收敛缝形气膜孔具有改善气膜冷却效果的特性。结果表明：旋转条件下，气膜的偏移使得展向冷气覆盖的区域增大，收敛缝形气膜孔的展向冷却有效范围明显优于圆形孔，同时对主流的穿透率较低，说明旋转时收敛缝形气膜孔的贴壁性依然较好；各种转速条件下，圆形孔的气膜在大吹风比工况呈现脱离壁面的特点，而收敛缝形气膜孔可以更好地形成气膜保护壁面，从而增强冷却效果；研究范围内，随着吹风比的增加，收敛缝形气膜孔的优势越加明显，虽然气膜孔出口处出现冷却效率稍低的现象，但在冷却范围、冷却效率以及冷却均匀性等方面均优于圆形孔，从而可起到改善冷却效果的作用。     

气膜孔形状对涡轮叶片气膜冷却影响的研究进展

气膜冷却是航空发动机叶片上采用的冷却方式之一,气膜孔结构对冷却效率影响非常显著。通过对不同形状孔射流气膜冷却回顾,指出了圆柱孔射流冷却的有害涡流动结构。论述了几何结构和气动参数对气膜冷却特性的影响,提出了一种高效气膜冷却孔结构——双出口气膜孔。利用商业软件对双出口射流的冷却效率进行了数值模拟。结果表明,双出口孔射流时,形成的涡结构有利于冷气贴附在壁面。最后给出了圆柱孔和双出口孔射流冷却效率对比结果,无论在平板上还是在叶片前缘,双出口孔射流冷却效率都明显高于圆柱孔射流冷却效率。     

涡轮叶片尾缘气膜冷却耦合传热的数值模拟

采用耦合方法对燃气轮机涡轮叶片尾缘气膜冷却流场进行数值模拟,并与绝热方法下的结果进行对比,得到不同吹风比和不同吸力面厚度下的气膜冷却规律。结果表明:与绝热方法相比,采用耦合方法时气膜冷却效率曲线更平缓,吸力面温度分布均匀,压力面尾部上方区域温度梯度较大;增大吹风比可以减弱吸力面导热对气膜冷却效率的影响,且能有效抑制流体与壁面的分离;随着吸力面厚度的增加,0.6～0.76等温度比线区域内流体温度发生变化,在劈缝出口下游温度升高,在下游的远距离处温度降低。     

孔间距对缩放槽缝孔气膜冷却效率的影响

基于有限体积法对三维定常不可压缩N-S方程进行离散,采用分区域非结构化网格及两层k-ε湍流模型,在吹风比M为0.4、0.8和1.6的情况下,数值研究了孔间距(P/D=3.0、3.5、4.0)对缩放槽缝孔气膜冷却效率的影响,对不同孔间距气膜冷却整体效果进行了对比分析。结果表明:孔间距较小时,在孔口附近及孔间区域发生强烈的气膜干扰,冷却气膜分布比较集中,在孔口下游近处冷却效率较高;随着孔间距的增大,气膜覆盖面积增加,孔口附近的冷却效率低于小孔距,各个孔沿展向的冷却效率也有所降低,在孔下游远处发生的气膜干涉较为明显;在低吹风比时,孔间距较小气膜孔的冷却效果最好,在高吹风比时,孔间距较大气膜孔对壁面的冷却效果与低吹风比相比有大幅度的改善。     

姊妹孔平板气膜冷却效率的数值模拟

利用Fluent软件对Navier-Stokes方程进行求解,采用Realizable k-ε模型研究了30°、45°和60°3种夹角姊妹孔射流对气膜冷却效率的影响,讨论了2个次孔夹角角度对流动温度场和姊妹孔平板冷却效率的影响.结果表明:姊妹孔主要是通过2个次孔产生的涡旋结构和主孔涡旋结构相互作用来提高冷却效率的,将被抬离的射流中心向横向方向拉拽,破坏反向对涡旋,将升力变为展向拉力,既提高了射流贴壁性又增大了展向覆盖面积;姊妹孔夹角为30°时,平板的气膜冷却效率最高.     

基于红外热像技术的气膜冷却实验方法与应用

为了研究燃气轮机高温部件气膜冷却技术,设计了低速风洞试验台。用红外热成像温度测量技术,对平板单孔和排孔射流冷却特性进行试验研究。通过埋在平板内的高精度热电偶校正,得到准确的温度,并建立了校正关系。试验件为不锈钢平板,孔是35°圆柱斜孔,孔径D=4mm,长径比L/D=3.49,吹风比M=0.5～2.5。通过气膜冷却效率分布来描述气膜冷却效果,实验处理数据给出了在50℃、196℃、267℃时不同位置的气膜冷却效率,实验结果表明不同冷却空气量对气膜冷却效果的影响。     

燃烧室壁面冷却特性数值模拟

针对航空发动机与燃气轮机燃烧室温升提高带来的壁面冷却问题,采用数值模拟方法研究多斜孔、复合角、冲击/气膜3种不同壁面结构形式的冷却特性,对比分析燃烧室近壁面流场和温度场分布以及有效温比与阻力损失随冷却孔尺寸的变化规律。研究表明:在冷却空气质量流量保持不变时,改变冷却孔直径对3种壁面结构的冷却性能会产生显著影响,孔径越大,阻力损失越小,冷却效果越好;在冷空气单位面积质量流量为20 kg/(m~2·s)条件下,当多斜孔孔径由0.3 mm变为0.8 mm时,平均有效温比从0.775减少到0.451,阻力损失从0.117增加至0.140,热侧壁面平均温度升高280.316℃;冲击/气膜冷却结构明显优于相同孔径的复合角冷却结构与多斜孔冷却结构;冲击/气膜冷却结构后导流环处有效温比最高可达到0.95。     

设置四面体斜坡对气膜冷却特性的影响

利用四面体斜坡抑制圆孔下游的CVP(反向旋转涡对),采用PLIF(平面激光诱导荧光)技术,在吹风比为0.5、1.0、1.5和2.0的情况下,针对四面体斜坡与圆形气膜孔的6种相对布置方式,实验研究并分析设置四面体斜坡后对气膜孔下游气膜冷却特性产生的影响。实验研究表明:相对于气膜孔,6种四面体斜坡模型都可以抑制CVP,提高气膜冷却效率;在6种四面体斜坡模型中,气膜孔上、下游同时放置逆风斜坡的组合模型可以取得最长的气膜长度和最高展向平均效率,当吹风比为0.5和2.0时,气膜孔出口下游x/d=3面上的展向平均效率分别是未设置四面体斜坡时的3.7和4.9倍。