单排气膜和多孔全覆盖气膜冷却研究

气膜冷却在现代燃气轮机火焰筒和涡轮叶片等热端部件冷却结构中具有十分重要的作用。尽管国内外针对气膜冷却已经开展了大量的研究,但进一步提高气膜冷却的性能仍然是一个富于挑战和创新的研究课题,其核心问题在于降低气膜出流向主流的穿透率、增强气膜出流在扩展区域扩散的覆盖面积。本文围绕提高气膜冷却效率的研究目标,研究内容包含两个方面:其一,针对单排气膜孔冷却结构,提出一种在气膜孔前缘设置异形突片改善气膜冷却效率的技术途径,通过数值和实验研究分析和探讨气膜孔前缘设置异形突片结构的流动传热特性,揭示其强化冷却的物理特征;其二,针对多孔全覆盖气膜冷却结构,通过多孔壁内外流耦合条件下的流动传热特性数值研究和实验验证,系统研究气膜孔排布方式、开孔率和吹风比等因素对于多孔全覆盖气膜冷却特性的影响规律,探讨气膜孔排布方式的优化方案。 对气膜孔前缘异形突片影响气膜出流流动和冷却效果的机制进行了研究。研究结果表明,气膜孔前缘异形突片改变了气膜出流的速度剖面特征,一方面沿流向的峰值速度增加,另一方面,峰值速度对应的壁面法向距离减小。体现了突片不仅具有抑制气膜出流向主流穿透的作用,而且具有提高气膜出流的展向覆盖和向下游延伸的能力。因此,与常规圆柱形气膜孔相比,带前缘异形突片的圆柱形气膜孔能够有效改善气膜绝热冷却效率。 对带有前缘异形突片气膜冷却结构的流动换热特性进行数值模拟研究和实验研究,总结归纳出异形突片结构参数在不同吹风比下对气膜绝热冷却效率、对流换热系数和流量系数的影响规律。研究结果表明,在适当的突片堵塞比范围内,随着吹风比和堵塞比的增大,突片抑制气膜出流穿透的作用增强,有利于提高气膜的绝热冷却效率;但堵塞比过大也会引起孔口附近流场的严重分离,主次流掺混加剧,从而使气膜绝热冷却效率恶化。因此在不同的吹风比下存在着最佳堵塞比,一般来说,小吹风比工况对应的最佳堵塞比较小,随着吹风比增大,最佳堵塞比也随之增大。随着突片堵塞比的增大,对流换热系数增大,流量系数减小。 开展了气膜孔前缘异形突片与后缘扩展型面的匹配研究,揭示了突片作用下的扩展型气膜孔冷却结构的流动特征和对流换热特性,并分析和归纳了异形突片和扩展孔结构参数对气膜绝热冷却效率、对流换热系数和流量系数的影响规律。研究结果表明,改变气膜孔扩展型面的流向扩展角和展向扩展角同样可以使气膜出流卵形涡对重新排布,从而改善气膜绝热冷却效率,流向扩展角的影响程度要大于展向扩展角。前缘异形突片与后缘扩展型面有一定的匹配原则,对于展向扩展角比较大的气膜孔,异形突片提高气膜绝热冷却效率的作用明显;对于只有流向扩展角的气膜孔结构,在气膜孔前缘放置突片并不一定具有改善气膜绝热冷却效率的作用。 通过数值模拟方法,对多孔全覆盖气膜冷却方式的气膜绝热冷却效率、热侧和冷侧对流换热系数以及流量系数进行了研究,归纳了气膜孔排布方式、开孔率、吹风比等因素对于多孔壁流动特性和冷却特性的影响规律。研究结果表明,气膜孔阵列超长菱形排布是较优的排布方案,在该排布方式下,气膜出流向主流的穿透相对较弱,气膜沿展向的覆盖率也较高;吹风比是影响热侧和冷侧对流换热系数的最主要因素,随着吹风比增加,热侧和冷侧对流换热系数均呈现增大的趋势。依据多孔全覆盖气膜冷却的气膜出流叠加和发展特征,提出了气膜充分发展的概念,获得了气膜出流达到充分发展所对应的孔排数以及相应的绝热冷却效率关联式,并对主次流温度比的影响进行了修正。 开展了多孔全覆盖气膜冷却综合冷却效率的数值研究和实验验证,分析了气膜孔的孔径、开孔率和孔阵排布方式等几何参数以及吹风比对多孔壁综合冷却效率的影响规律。研究结果表明,气膜孔排布方式对综合冷却效率的影响规律与绝热冷却效率的基本一致,超长菱形排布仍然是较优的排布方案。