超声速气流中激波对气膜冷却流动的干涉特性研究

激波会影响气膜冷却流场的流动特征,引起流场结构和冷却效率的变化。为探究激波干涉对气膜冷却的影响,本文采用数值模拟的方法对不同射流角度和不同吹风比工况下的超声速平板气膜冷却开展研究。结果表明:气膜冷却效率随吹风比的增大呈现先增大后减小的趋势,随着射流角度的增大,气膜在孔附近的展向覆盖效果逐渐提高,但冷却效率沿流向衰减加快;采用无量纲坐标系分析激波干涉对气膜流动的影响,获得激波与气膜冷却流动干涉在不同工况下对冷却效率的一致性影响规律,激波会造成冷却效率的明显降低;激波干涉下冷气容易产生三维流动分离,随着射流角度的增大,分离区极限流线的拓扑结构更加复杂。进一步引入均匀性指标参数分析激波干涉对气膜冷却效率的影响,不同射流角度下,激波干涉区域气膜冷却效率的均匀性随吹风比的增加呈先增大后减小的趋势。

激波发生器几何结构对激波-气膜干涉影响的数值仿真

为探究激波-气膜干涉流动机理,采用带激波发生器的平板模拟跨声速叶栅内的流场。以激波发生器模拟入射激波,采用数值计算的方法研究当来流马赫数为1.45、吹风比为0.25、0.50和0.75时,楔形激波发生器角度和长度对超声速下平板气膜冷却流场的影响规律。结果表明:激波发生器角度影响激波强度,激波-气膜干涉会引起附面层流动分离产生分离泡,且分离泡尺度随激波强度的增强而增大;由于分离泡形成的鼓包使气流转折角增大,在5°和7°激波发生器下会形成局部正激波;激波发生器长度影响入射激波和膨胀波系之间的距离,随着激波发生器长度的增加,入射激波受膨胀波系影响减小。通过对比发现,合适的激波发生器可有效减弱流场内干扰波系的影响,从而突出激波对气膜冷却的干涉作用。

入射角对超声速平板气膜冷却的影响

超声速平板气膜冷却伴随着复杂的涡系结构和激波干扰等流动特征,它们对气膜冷却效率产生重要影响。运用数值模拟的方法对不同入射角下的超声速平板气膜冷却进行分析,结果表明:随着入射角和吹风比增加,冷却孔内涡强度减弱,因气膜冷却层产生的斜激波位置前移,强度增加,总压损失增加。随着入射角增大,主流与冷气剪切所产生的涡量成为肾型涡发展的主导因素,并且冷气沿流向耗散速度随着肾型涡强度的增加而加快。不同入射角展现出不同的气膜冷却现象及效率,气膜冷却层可有效抑制激波对壁面气流的加热。