一种新型组合内部冷却的流动和换热特性研究

为了研究不同冷却结构对叶片前缘冷却性能的影响,探究综合性能更为优越的冷却结构,建立了旋流冷却、冲击冷却和旋流与冲击冷却相结合的新型冷却模型,在相同的进气腔、喷嘴数及位置、旋流腔和气动条件下进行了数值研究,对旋流冷却、冲击冷却和新型冷却模型的综合换热性能进行了对比分析,并探究了不同雷诺数下组合冷却的换热性能、冷气分配和压降的变化规律。研究结果表明:旋流与冲击冷却相结合的冷却方式综合换热性能最佳,其综合换热系数相较于旋流冷却提高了0.2%,相较于冲击冷却提高了12.5%,其压力损失低于纯旋流冷却和纯冲击冷却;在旋流与冲击冷却相结合的冷却中,随着雷诺数的增加,努塞尔数得到显著提升。由于上游冲击冷却气与主流的相互碰撞,削弱了主流流速,加之上游顺时针涡旋向下游的发展,使得冷却腔室末端位置的换热性能得到增强。在旋流与冲击冷却相结合的冷却中,旋流冷却部分产生的涡旋对下游的影响较强,抵抗上游的横流能力较高,旋流冷却与冲击冷却的相互作用能够产生一个大尺度对涡和单涡旋;冷气分配不随雷诺数变化,流经冲击喷嘴的冷气较少。

喷嘴周向位置和旋流腔拔模斜度对旋流冷却的影响

为了研究喷嘴周向位置及旋流腔拔模斜度对旋流冷却流动和传热特性的影响,探究综合性能更为优良的冷却结构,建立了适用于叶片前缘的旋流冷却模型。在验证了湍流模型的前提下,采用CFD方法对不同模型的流动换热特性进行了对比分析。结果表明:冷气从进口射入旋流腔,形成高速旋转运动;冷气的三维流线沿轴向先径向收缩后径向扩张。喷嘴周向位置改变时,高速旋流区和低速旋流区的相对位置改变,并且高Nu区域的周向位置改变。对于叶根进气的情况,拔模斜度增大时,高速旋流区面积增加,低速旋流区面积减小,并且压力系数减小;当拔模斜度为正值时,压力系数沿轴向降低;拔模斜度为负值时,压力系数沿轴向升高,高Nu区域面积随着拔模斜度的增加而增加。叶根进气时,以拔模斜度为-1°时为参考值,拔模斜度增大至1°时,换热强度提高了9.1%,靶面传热量增加了8.4%,摩擦因数减小了4.1%,综合换热因数提升了8.8%。本文研究分析了不同几何参数下的旋流冷却流动和换热特性,以期为实际叶片前缘冷却结构的设计提供一定的理论参考。

弯曲通道中凸、凹表面水膜流动特性的数值研究

针对航空发动机吸雨的问题,建立了气流与壁面水膜双向耦合作用的数值分析方法,对弯曲通道中凸、凹表面水膜流动特性进行了数值研究。结果表明:弯曲通道中二次流的作用引起凹面水膜向凸面迁移,在凸面沿垂直流动方向两端形成水膜的聚集区,在凹面的两端则出现水膜厚度减小的现象;来流马赫数与凸、凹表面水膜厚度成负相关关系,水膜流量与凸、凹表面水膜厚度成正相关关系;进口气流角增大导致凸面水膜厚度增大、凹面水膜厚度减小;通道曲率增大引起凸面水膜沿流动方向加剧收缩;相界面处压力波动是引起水膜波动的原因,水膜厚度的波动幅度与来流马赫数和进口气流角成正相关关系。该结果可为改善航空发动机吸雨引起的气动特性恶化问题研究提供参考。

周向喷嘴数对旋流冷却流动传热特性的影响

为了研究在旋流腔周向布置多个喷嘴对旋流冷却特性的影响,分别建立了保持喷嘴几何尺寸不变和保持喷嘴进口总面积不变的旋流冷却模型。在相同质量流量和喷嘴长宽比的条件下,采用数值计算方法,研究了周向喷嘴数对旋流冷却特性的影响,并分析、对比了两种情况下旋流冷却性能的差异。研究结果表明:当保持喷嘴几何尺寸不变时,靶面平均Nu随周向喷嘴数增加而逐渐减小,但靶面Nu分布更加均匀,由于下游冷气速度受轴向横流影响较大,高Nu区向下方偏移,旋流腔冷气涡数目随周向喷嘴数增多而逐渐减少,冷气总压损失也随之减少;当保持喷嘴进口总面积不变时,随着周向喷嘴数的增加,靶面高Nu区面积和靶面平均Nu先增大然后略有减小,都在周向喷嘴数为2时达到最大值。由于下游冷气速度受轴向冲击影响较小,在旋流腔轴向下游处,靶面展向平均Nu略有提高,而总压损失随着周向喷嘴数的增加逐渐增加。