大曲率壁面气膜槽与侧向扩张孔冷却对比研究 万卜铭 黎超超 胡畅摘要：本文通过数值仿真对比研究了不同单位面积冷气量下，三种曲率半径R（15、20、25mm）壁面上气膜槽与侧向扩张孔两种冷却方式的冷却效率及气膜覆盖情况计算结果表明，在三种曲率半径下，气膜槽在舌片出口段均能形成很好的冷却气膜，但其贴壁性较差，覆盖距离短;当R=15mm时，侧向扩张孔冷却效率起始段明显劣于气膜槽，且后段贴壁优势不明显;但当R增大到20mm以上时，侧向扩张孔气膜贴壁性好，有效覆盖距离明显增大，优于传统气膜槽因此根据回流燃烧室小弯管结构特点，侧向扩张孔可与气膜槽搭配使用关键词：回流燃烧室;大曲率壁面;气膜槽;侧向扩张孔;冷却效率 气膜有效覆盖情况1 引言航空发动机的高性能需求使得燃烧室所承受的温度不断增加，因此需要更加高效的冷却方式来降低火焰筒壁面温度回流燃烧室中特有的小弯管结构，属于大曲率型面，传统冷却气膜容易被吹离，造成小弯管壁温过高有研究发现[1][2]，侧向扩张孔形成的冷却气膜具有较好的贴壁性，因此本文通过数值模拟对比研究了传统气膜槽与侧向扩张孔两种冷却方式的优与劣文献[3]数值研究一种双出口的气膜冷却孔，得到不同次孔偏转角对应的最佳吹风比，综合考虑后得出高吹风比时，次孔偏转角40时冷却效率最佳。
文献[4]数值研究了不同横向扩张角的扇形气膜孔在不同吹风比下的冷却效率，发现横向扩张角和吹风比的增大都会导致下游冷却效率下降，但适当增加扩张角能扩张冷却气膜的覆盖面积文献[5]试验研究了气膜-发散组合冷却结构的冷却特征，得到了不同气动参数对换热系数的影响及三种排布方式的冷却效率文献[6]为提高冷却效率，对多段扩张孔的孔型进行了优化，得到孔长=90mm，流向扩张角=20，侧向扩张角=5时冷却效率达到最大值综上可知，目前对于各类异型孔的研究主要为孔型优化及平板冷却效率研究，侧向扩张孔在气膜覆盖性的优势对于回流燃烧室大曲率壁面冷却具有研究价值因此本文通过数值计算研究了三种曲率半径下（R=15、20、25mm）传统气膜槽与侧向扩张孔冷却效率及2 研究方案及几何模型不同曲率半径壁面上两种冷却方式当量开孔面积及目标冷却区域面积保持一致其中，侧向扩张孔扩张角为25，倾角为20研究方案如表1所示，侧向扩张孔与气膜槽对比研究模型如图1所示3 计算方法3.1 湍流模型本文选用适用于射流计算的Realizable k-ε湍流模型搭配标准壁面函数开展数值研究，压力-速度耦合求解器采用SIMPLEC算法，对流项差分格式均采用二阶迎风格式，收敛标准为各项残差达到10-5量级。
3.2网格划分及无关性验证本文使用ICEM软件对计算域进行四面体网格划分，并对小孔内及流体域壁面进行局部加密网格局部加密情况见图2，使用比例因子将网格整体加密到壁温不再随网格尺度发生变化为止，其中不同曲率半径及冷却方案网格总数不同3.3 边界条件主次流进口均設为质量流量进口，次流出口为壁面，主流出口设为压力出口计算域两侧设为周期性边界，由于计算工况下气流最大马赫数小于0.3，因此可视为不可压理想气体各计算工况见表2其中主流总温，次流总温4 计算结果图3为R=20mm壁面上，不同单位面积冷气量条件下两种冷却方式绝热冷却效率分布云图其中S为曲面弧长，通过Z坐标换算得到，为横向平均绝热冷却效率，D=0.8mm，即：图4为R=15mm与R=20mm壁面在不同单位面积冷却量下对比曲线当曲率半径增大到25mm时，变化曲线与20mm时相似，在目标冷却区域起始位置气膜槽能形成很好的冷却气膜，冷却效率很高，但该优势只能持续到S/D=10mm处，随着冷气量的增大，优势略有增加;而侧向扩张孔形成了冷却气膜覆盖距离要优于气膜槽，壁面温度梯度小，且随着单位面积冷气量的不断增加，中段和后段的优势越发明显但当R=15mm时，目标冷却区域变短，增大单位面积冷气量，对侧向扩张孔的冷却效率提升效果不明显，但能明显增大气膜槽在起始段的优势，优势距离从S/D=5增加到了S/D=17作用，占目标冷却区域的一半左右。
参考多个经典回流燃烧室小弯管结构，发现从内环到小弯管过度部分常使用曲率半径较小（R<20mm）的型面转接，与大弯管共同完成流道转折，之后大部分区域为一段或多段曲率半径较大（R）的型面转接，直至燃烧室出口因此根据以上计算结果，可以将气膜槽与侧向扩张孔搭配使用，在小弯管起始段，设计气膜槽，气膜孔孔径及间距可根据目标冷却面积确定，在气膜槽冷气优势区域结束时，布置一到两组侧向扩张孔衔接，以此在整个小弯管壁面上形成致密的冷却气膜5 结论本文数值研究了不同曲率半径上气膜槽与侧向扩张孔两种冷却方式的绝热冷却效率，了解了侧向扩张孔优异覆盖性的有效范围，得到结论如下：（1）R=15mm时，随着单位面积冷气量的增加，气膜槽前段冷却效率及覆盖距离提升明显，但之后冷效下降较快，而侧向扩张孔冷却效率变化不大，当R时，单位冷气量的增加能明显提升侧向扩张孔的有效覆盖距离及冷却效率;（2）在各曲率半径上，侧向扩张孔形成的冷却气膜覆盖距离均有优势，但随着曲率半径的减小，该优势逐渐削弱，当R减小到15mm时，侧向扩张孔的覆盖优势极小，此时气膜槽在目标冷却区域前段优势明显;（3）根据回流燃烧室小弯管结构特点，可将侧向扩张孔与气膜槽搭配起来使用。
参考文献[1]HILDEBRANDT T， GRANZERT t， FOTTER L. Systematic Experimental and Numerical Investigation on the Aerodynamics of a Film Cooled Turbine Cascade with Variation of the Cooling Hole Shape[C]. ASME2000-GT-298，2000.[2]SAUMWEBER C， SCHULZ A. Free Stream Effects on the Cooling Performance of Cylindrical and Fan Shaped Cooling Holes[C]. ASME GT2008-51030， 2000.[3]李广超， 吴 东， 张 魏等. 不同吹风比下双出口孔射流气膜冷却数值模拟计算[J]. 动力工程学报， 2012， 32（5）.[1]杨晓军， 张骁峰， 刘智刚. 扇形孔气膜冷却效果的数值模拟[J]. 机械工程与自动化， 2017，2[2]田 美， 冯晓星， 石蕊等.气膜-发散组合冷却结构换热特性的实验研究[J].推进技术， 2018， 39（8）.[3]WANG， C.， J. ZHANG and J. ZHOU， Data mining optimization of laidback fan-shaped hole to improve Film Cooling performance[J]. Journal of Central South University， 2017， 24（5）.中国电气工程学报2020年1期中国电气工程学报的其它文章工业自动化仪表与自动化控制技术电气工程自动化控制中PLC技术的应用探究供电电压质量影响分析及电压治理研究送电线路运行中的防雷措施探讨输煤皮带机跑偏故障机理及对策研究变电站并联电容器组故障分析及技术改进措施 -全文完-。