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单排气膜和多孔全覆盖气膜冷却研究

作　者: 杨成凤
导　师: 张靖周
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 航空宇航推进理论与工程
关键词: 单排孔气膜冷却多孔全覆盖气膜冷却异形突片扩展型面气膜孔气膜冷却效率对流换热系数
分类号: V231.1
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-25
第一章绪论  25-44
  1.1 研究背景  25-27
  1.2 气膜冷却研究概述  27-43
    1.2.1 单排离散孔气膜冷却  29-34
      1.2.1.1 气膜孔倾角的影响  29-30
      1.2.1.2 气膜孔型面的影响  30-32
      1.2.1.3 气膜出流流场主动调节  32-34
    1.2.2 多孔全覆盖气膜冷却研究概述  34-43
      1.2.2.1 多孔全覆盖气膜冷却流量系数  36-37
      1.2.2.2 气膜冷却效率和气膜侧对流换热  37-40
      1.2.2.3 多孔全覆盖气膜冷却小孔内对流换热  40-41
      1.2.2.4 多孔全覆盖气膜冷却冷侧对流换热  41-43
  1.3 本文研究的内容  43-44
第二章带前缘异形突片气膜孔冷却特性的数值研究  44-88
  2.1 数值计算方法  44-56
    2.1.1 控制方程  44-45
    2.1.2 湍流模型  45-49
      2.1.2.1 高雷诺数k- ε湍流模型（标准k- ε湍流模型）  45-46
      2.1.2.2 重整化群k- ε湍流模型（RNG k- ε湍流模型）  46
      2.1.2.3 可实现k- ε湍流模型（Realizable k- ε湍流模型）  46-48
      2.1.2.4 SST k- ω湍流模型  48-49
    2.1.3 几何模型和网格划分  49-52
    2.1.4 离散方法和方程求解  52-53
    2.1.5 算例验证  53-54
    2.1.6 气膜冷却特征参数  54-56
  2.2 气膜孔前缘异形突片的作用效果和机理  56-67
    2.2.1 几何参数和边界条件  56-57
    2.2.2 前缘异形突片结构对气膜出流流场的影响  57-63
    2.2.3 前缘异形突片结构对气膜绝热冷却效率的影响  63-65
    2.2.4 前缘异形突片结构对换热系数和流量系数的影响  65-67
  2.3 气膜孔前缘异形突片结构参数对冷却特性的影响  67-75
    2.3.1 气膜绝热冷却效率  67-74
      2.3.1.1 突片堵塞比的影响  67-72
      2.3.1.2 异形突片前缘角度的影响  72-74
    2.3.2 对流换热系数和流量系数  74-75
  2.4 气膜孔前缘异形突片与后缘扩展型面的匹配研究  75-86
    2.4.1 无突片的后缘扩展型面气膜孔  75-79
      2.4.1.1 气膜绝热冷却效率  75-79
      2.4.1.2 对流换热系数和流量系数  79
    2.4.2 带前缘异形突片的扩展气膜孔  79-86
      2.4.2.1 气膜出流流场  79-84
      2.4.2.2 气膜绝热冷却效率  84-85
      2.4.2.3 对流换热系数和流量系数  85-86
  2.5 本章小结  86-88
第三章带前缘异形突片气膜孔冷却特性的实验研究  88-122
  3.1 实验系统  88-94
    3.1.1 气源  89
    3.1.2 加热器  89
    3.1.3 测量系统  89-92
      3.1.3.1 流量测量装置和测量方法  89-91
      3.1.3.2 压力测量装置  91
      3.1.3.3 温度测量装置  91-92
    3.1.4 数据采集系统  92
    3.1.5 PIV 测试系统  92-94
      3.1.5.1 PIV 技术原理  92-93
      3.1.5.2 PIV 实验系统  93-94
      3.1.5.3 操作过程  94
  3.2 实验段和实验件设计  94-97
    3.2.1 流场PIV 实验  94-95
    3.2.2 换热实验  95-97
  3.3 数据处理  97-98
  3.4 实验误差  98-100
    3.4.1 冷却效率的误差分析  98-99
    3.4.2 对流换热系数的误差计算  99
    3.4.3 流量系数的误差计算  99-100
  3.5 实验结果及分析  100-121
    3.5.1 气膜孔前缘突片结构对气膜出流流场的影响  100-101
    3.5.2 气膜孔前缘异形突片结构对气膜冷却的影响  101-107
      3.5.2.1 气膜绝热冷却效率  101-104
      3.5.2.2 对流换热系数  104-106
      3.5.2.3 流量系数  106
      3.5.2.4 数值模拟和实验结果的比较  106-107
    3.5.3 气膜孔前缘异形突片与后缘扩展型面的匹配研究  107-121
      3.5.3.1 前缘异形突片和扩展孔的作用效果比较  107-108
      3.5.3.2 扩展孔形状对气膜绝热冷却效率的影响  108-111
      3.5.3.3 吹风比对气膜绝热冷却效率的影响  111-113
      3.5.3.4 异形突片堵塞比对气膜绝热冷却效率的影响  113-116
      3.5.3.5 吹风比对对流换热系数的影响  116-117
      3.5.3.6 异形突片堵塞比对对流换热系数的影响  117-119
      3.5.3.7 流量系数  119
      3.5.3.8 数值与实验比较  119-121
  3.6 本章小结  121-122
第四章多孔全覆盖气膜冷却的流动和换热特性数值研究  122-165
  4.1 多孔壁物理模型设计  122-123
    4.1.1 气膜孔排布方案的设计  122-123
    4.1.2 气膜孔结构参数的设计  123
  4.2 数值计算方法  123
  4.3 多孔壁热侧流动换热特性计算分析  123-151
    4.3.1 几何模型和边界条件  123-124
    4.3.2 气膜绝热冷却效率  124-147
      4.3.2.1 吹风比的影响  124-127
      4.3.2.2 气膜孔排布方式的影响  127-134
      4.3.2.3 开孔率的影响  134-136
      4.3.2.4 孔径的影响  136-138
      4.3.2.5 孔倾角的影响  138-141
      4.3.2.6 气膜绝热冷却效率的拟合  141-144
      4.3.2.7 准则关系式的修正  144-147
    4.3.3 热侧对流换热系数  147-151
      4.3.3.1 吹风比的影响  147-149
      4.3.3.2 孔径的影响  149-150
      4.3.3.3 孔倾角的影响  150-151
  4.4 多孔壁冷侧流动换热特性计算分析  151-163
    4.4.1 几何模型和边界条件  151-152
    4.4.2 冷侧对流换热系数  152-163
      4.4.2.1 吹风比的影响  152-154
      4.4.2.2 气膜孔排布方式的影响  154-156
      4.4.2.3 开孔率的影响  156-159
      4.4.2.4 孔径的影响  159-161
      4.4.2.5 孔倾角的影响  161-163
  4.5 本章小结  163-165
第五章多孔全覆盖气膜冷却综合冷却效率的数值分析和实验验证  165-183
  5.1 多孔全覆盖气膜冷却综合冷却效率的数值模拟  165-171
    5.1.1 几何模型和边界条件  165-166
    5.1.2 计算结果和分析  166-171
      5.1.2.1 吹风比的影响  166-168
      5.1.2.2 孔排布方式的影响  168-169
      5.1.2.3 多孔壁材料的影响  169-170
      5.1.2.4 流量系数  170-171
  5.2 多孔全覆盖气膜冷却综合冷却效率的实验验证  171-182
    5.2.1 实验系统和实验件  171-175
      5.2.1.1 气源  172
      5.2.1.2 加热器  172
      5.2.1.3 流量测量  172
      5.2.1.4 压力测量  172
      5.2.1.5 温度测量  172-174
      5.2.1.6 实验段和实验件  174-175
    5.2.2 实验结果和分析  175-178
      5.2.2.1 吹风比的影响  175-176
      5.2.2.2 孔径的影响  176-178
    5.2.3 计算域几何模型和边界条件  178
    5.2.4 计算结果和分析  178-181
    5.2.5 实验结果与计算结果的比较  181-182
  5.3 小结  182-183
第六章总结与展望  183-187
  6.1 本文的研究结论  183-185
    6.1.1 带前缘异形突片气膜冷却的流动和换热特性  183-184
    6.1.2 多孔全覆盖气膜冷却方式的流动和换热特性  184-185
  6.2 本文创新点  185
  6.3 未来工作展望  185-187
参考文献  187-197
致谢  197-198
在学期间的研究成果及发表的学术论文  198

单排气膜和多孔全覆盖气膜冷却研究

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