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火焰筒壁面复合冷却结构的流动与换热特性研究

作　者: 王利
导　师: 杨卫华
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 制冷与低温工程
关键词: 复合冷却冲击/发散冷却冲击/逆向对流/气膜冷却扰流柱 PIV 热应力航空发动机燃烧室
分类号: V231.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

航空发动机燃烧室壁面冷却结构的设计是燃烧室设计技术的重要组成部分,其设计的合理与否将直接影响燃烧室的性能与可靠性。燃烧室壁面复合冷却技术是一种新型的冷却技术,它主要包括冲击+发散冷却技术、冲击对流+气膜冷却技术等。与传统的气膜冷却相比,该技术具有燃烧室壁面温度场均匀,能在较小的冷却气流流量下获得较低的燃烧室壁温,因此在航空发动机燃烧室壁面冷却结构的设计中具有广泛的应用前景。论文首先采用数值模拟和实验研究相结合的方法对冲击+发散冷却结构的流场、温度场进行了分析研究,在此基础上得到了气动参数和几何参数对冲击+发散冷却结构综合冷却效率的影响规律。研究发现,随着吹风比的增大,由发散孔流出的冷却气流会深入主流中,此外在发散孔出口处存在一对旋转方向相反的涡;发散孔的倾斜角对冷却效率有很大的影响,一般而言,发散孔的倾角越小,则冷却效率越高;发散孔叉排时的冷却效率要优于顺排的冷却效率;在相同的流向间距比下,展向间距比越小,则冷却效率越高;而对于冲击发散冷却结构,在本文所研究的范围内,冲击间距对冷却效率的影响不大。然后,论文以浮动瓦块冲击+发散冷却结构为对象,在对其温度场进行分析的基础上使用有限元软件对其应力特性进行了研究,获得应力和变形随吹风比的变化规律。最后,论文针对冲击+逆向对流(有扰流柱)+气膜冷却结构的流场及温度场进行了分析研究,在此基础上分别得到了吹风比、扰流柱排数、扰流柱排列形式以及冲击间距等参数对冷却效率的影响规律。研究发现,扰流柱排数对综合冷效的影响不明显,叉排的冷却效率高于顺排,并且这种优势随着吹风比的增大而增大;冲击间距对冷却效率有一定的影响,一般而言,冷却效率随冲击间距的减小而增大,但在本文研究的范围内,在吹风比较小的时候,冲击间距H=3㎜时的冷却效率要高于冲击间距H=4㎜、5㎜的冷却效率,但是当吹风比M>1.0时,冲击间距H=4㎜和H=5㎜模型的冷效近于一致。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-15
第一章绪论  15-27
  1.1 研究背景  15-16
  1.2 国内外研究综述  16-24
    1.2.1 冲击冷却  16-17
    1.2.2 气膜冷却  17-20
    1.2.3 多孔壁冷却  20-21
    1.2.4 冲击＋发散冷却  21-22
    1.2.5 冲击＋对流+气膜冷却  22-24
  1.3 本文的主要研究内容  24-27
第二章冲击发散冷却结构流动与换热特性的数值研究  27-43
  2.1 计算方法  27-28
    2.1.1 物理模型  27-28
    2.1.2 边界条件  28
  2.2 计算结果及分析  28-42
    2.2.1 吹风比的影响  29-31
    2.2.2 发散孔角度的影响  31-35
    2.2.3 发散孔排布方式的影响  35-38
    2.2.4 发散孔展向间距比的影响  38-42
  2.3 结论  42-43
第三章冲击发散冷却特性的实验研究  43-55
  3.1 实验系统  43-47
    3.1.1 流量测量  44-45
    3.1.2 温度测量  45-47
  3.2 实验段和实验件  47-48
  3.3 实验过程  48
  3.4 实验数据的处理  48-49
  3.5 实验误差分析  49-50
  3.6 实验结果与分析  50-52
    3.6.1 吹风比 M 对冲击发散冷却效率的影响  50-51
    3.6.2 发散孔间距比(d/H)对冲击发散综合冷却效率的影响  51-52
    3.6.3 冲击间距对冷却效率的影响  52
  3.7 冲击发散实验与计算对比  52-53
  3.8 结论  53-55
第四章冲击+发散冷却结构热应力的分析  55-71
  4.1 引言  55
  4.2 计算方法  55-57
    4.2.1 物理模型  55-56
    4.2.2 计算网格  56
    4.2.3 边界条件  56-57
  4.3 换热计算结果分析  57-59
    4.3.1 发散板热侧壁面温度分布  57-58
    4.3.2 发散板热侧壁面综合冷效随吹风比的变化  58-59
      4.3.2.1 综合冷却效率的定义  58
      4.3.2.2 吹风比对综合冷效的影响  58-59
  4.4 应力计算分析  59-68
    4.4.1 应力计算方法  59
    4.4.2 材料参数及边界条件  59-61
    4.4.3 变形随吹风比的变化规律  61-62
    4.4.4 模型的应力分布云图  62-68
    4.4.5 最大位移和最大应力随吹风比的变化规律  68
  4.5 结论  68-71
第五章冲击+逆向对流（有扰流柱）+气膜冷却的数值研究  71-87
  5.1 物理模型  71-73
  5.2 数值计算方法  73-74
    5.2.1 边界条件  73
    5.2.2 湍流模型的验证  73-74
    5.2.3 网格实验  74
  5.3 计算结果与分析  74-84
    5.3.1 计算参数的确定  74
    5.3.2 复合冷却结构流场特性  74-80
      5.3.2.1 冲击腔内流场特性  75-76
      5.3.2.2 气膜侧流场分布  76-80
    5.3.3 复合冷却结构冷却效率的研究  80-84
      5.3.3.1 吹风比的影响  81-82
      5.3.3.2 扰流柱排数对综合冷却效率的影响  82
      5.3.3.3 扰流柱排列形式对综合冷却效率的影响  82-83
      5.3.3.4 冲击间距对综合冷却效率的影响  83-84
  5.4 结论  84-87
第六章复合冷却结构流场的PIV 研究  87-105
  6.1 序言  87
  6.2 实验系统  87-90
    6.2.1 气源  88
    6.2.2 测量系统  88-90
      6.2.2.1 压力、温度及流量测量  88
      6.2.2.2 PIV 原理及测量系统  88-90
  6.3 实验段和实验件  90-94
  6.4 实验结果及分析  94-104
    6.4.1 冲击+逆向对流+气膜冷却典型结构流场分布  94-100
    6.4.2 冲击+发散冷却典型结构流场分布  100-104
  6.5 结论  104-105
第七章结论与展望  105-107
  7.1 研究结论  105-106
    7.1.1 冲击+发散冷却结构  105
    7.1.2 冲击+逆向对流（有扰流柱）+气膜冷却结构  105-106
  7.2 展望  106-107
参考文献  107-110
致谢  110-111
攻读硕士学位期间发表的论文  111

火焰筒壁面复合冷却结构的流动与换热特性研究

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