瞬态薄膜冷却对降低身管烧蚀的初探

本文叙述了瞬态薄膜冷却在降低武器烧蚀方面的应用,为了探索这种技术的应用前景,首先从模拟试验着手,设计了弹道试验的模拟装置用以模拟射击过程中装药的点燃,弹丸的运动,火药气体对膛壁的传热,弹道试验同时进行测压、测速、测温、测径向烧蚀量.试验还设计了射击过程中液体在膛壁的瞬态成膜技术,提供临时的隔热层,以降低膛面温度,从而降低径向烧蚀量,模拟试验取得了在主要弹道诸元基本不变的前提下膛面温度下降30%烧蚀量下降50%以上的初步成效。

涡轮叶片表面气膜冷却效率的实验研究

采用放大的叶片模型,利用大尺寸低速线性叶栅风洞进行实验,测量了涡轮导向叶片表面不同位置单排气膜孔的气膜冷却效率,研究了孔排位置、吹风比及来流雷诺数的影响。风洞实验段由3个叶片组成,其中中间的叶片为试验叶片,由优质木材制成。试验叶片表面上开有15排气膜孔,其中吸力面3排,前缘区6排,压力面6排。实验的参数变化范围是:基于叶片弦长的来流雷诺数250000～450000,吹风比0 5～2 5。结果表明,由于气膜孔排位置的不同,其下游冷却效率受来流雷诺数及吹风比影响的变化趋势也有所不同。

气膜孔布局对前缘气膜冷却效率影响的实验

针对叶片前缘结构的特点，建立了前缘气膜冷却实验台，实验模型由半圆柱面和两个平板组成，在距离滞止线2倍气膜孔直径距离位置布置了1排气膜孔。主流在前缘的湍流度为8％，二次流和主流密度比为1．5，动量比变化范围为0．5～4，分析了在不同动量比下气膜孔间距和径向角变化对径向平均气膜冷却效率的影响。径向角分别为0^o，45^o，65^o，孔间距与孔径的比分别为2，3，4。研究结果表明，随着孔间距的增加，径向平均冷却效率逐渐降低。径向角对径向平均冷却效率的影响非常复杂。

孔位对涡轮叶片表面气膜冷却换热系数的影响

采用放大的叶片模型,利用大尺寸低速线性叶栅风洞进行实验,测量了涡轮导向叶片表面不同位置单排气膜孔喷射时下游的换热系数,研究了孔排位置、吹风比的影响.风洞实验段由3个叶片组成,中间的叶片为试验叶片,由优质木材制成.试验叶片表面上开有15排气膜孔,吸力面3排,前缘区6排,压力面6排.实验中吹风比的变化范围是0.5～2.5.研究结果表明:由于气膜孔排位置的不同,喷气对换热系数的影响范围不同,换热系数受吹风比影响的变化趋势也有所不同.

叶片前缘气膜冷却换热的实验研究

对叶片前缘多排圆柱形孔的气膜冷却换热进行了实验研究。测出了不发生主流侵入腔室的最小平均吹风比、孔排区及其下游的局部换热系数，并研究了主流雷诺数及平均吹风比对局部换热系数比的影响。实验参数范围：主流雷诺数Ｒｅ＝４２０００～１２７０００，平均吹风比Ｍ＝０．８～２．０，测量分８个工况进行。

利用W型槽提高气膜冷却效率机理

为了探讨圆柱孔出口开有W型槽结构的气膜冷却机理,数值模拟研究了W型槽与横向槽下游流场、温度场及气膜冷却效率。分析了W型槽深度对气膜冷却效率的影响。结果表明：相比于横向槽,W型槽结构展向平均气膜冷却效率提高70%~130%。随着W型槽深度增加,气膜孔出口下游的对漩涡减弱,两侧的附加漩涡增强,最终形成一对反向对漩涡。小吹风比0.5时,三种W型槽深结构的展向平均气膜冷却效率差别小于8%;大吹风比1.5时,槽深0.5D（D为气膜孔孔径）结构展向平均气膜冷却效率高于槽深0.25D结构的展向平均气膜冷却效率75%~150%。槽深0.5D和0.75D结构的展向平均气膜冷却效率基本相同,差别小于3%。

涡轮工作叶片表面气膜冷却效率的实验研究

在大尺寸低速线性叶栅风洞上进行实验,采用放大的叶片模型,测量了涡轮工作叶片表面不同位置单排气膜孔的气膜冷却效率,研究了孔排位置、吹风比及来流雷诺数的影响。试验叶片表面上开有8排气膜孔,其中吸力面2排,前缘区3排,压力面3排。实验的参数变化范围是:基于叶片弦长的来流雷诺数250000～450000,吹风比0 5～2 5。结果表明,由于气膜孔排位置的不同,其下游冷却效率受来流雷诺数及吹风比影响的变化趋势也有所不同,孔排位置一定时,冷却效率主要由吹风比决定。该实验结果对涡轮叶片型面气膜冷却的实际工程设计研究有重要意义。

几何结构对后台阶缝隙气膜冷却效率的影响

针对涡轮叶片尾缘冷却结构特点,建立了后台阶三维缝隙结构气膜冷却特性试验台,测量了缝隙中心和肋中心下游气膜冷却效率的局部分布,研究了不同几何结构的影响,其中缝宽-肋宽比的变化参数是0.67,1.0及1.5,唇厚-缝高比的变化参数是0.5,1.0及1.89。试验结果表明:(1)缝隙中心下游的冷却效率沿流向呈逐渐下降趋势,肋中心下游的冷却效率呈先增加后下降的趋势;(2)缝宽-肋宽比对下游冷却效率有较大的影响,缝宽-肋宽比越大,冷却效率越高;(3)唇厚-缝高比增加时,缝隙下游的冷却效率呈增加趋势;肋后冷却效率随唇厚-缝高比增加在x/H<4的区域呈减小趋势,在x/H>4的区域呈增大趋势;(4)三维掺混区随着缝宽-肋宽比的减小呈减小趋势,随唇厚-缝高比越大,成增大趋势。

带单排气膜孔的叶片前缘气膜冷却换热实验

针对叶片前缘结构的特点，建立了前缘气膜冷却实验台，实验模型由半圆柱面和两个平板组成，在距离滞止线2倍孔间距位置布置了1排气膜孔。详细地测量了主流湍流度，二次流与主流密度比以及动量比对前缘径向平均换热系数和换热系数比的影响。二次流与主流密度比为1和1．5。动量比变化范围为0．5～4。主流在前缘位置的湍流度分别为0．4％和8％。结果表明，随着动量比的增加，径向平均换热系数增加。无二次流时，湍流度的增加使换热显著增强，有二次流时，湍流度增加使换热增强的幅度较小。密度比对径向平均换热系数的影响非常小。随着孔间距的增加，径向平均换热系数略有减小。径向角对径向平均换热系数的影响较小。在高湍流度下，前缘位置的径向平均换热系数比沿着流动方向是逐渐降低的。在低湍流度下，前缘位置的径向平均换热系数比在x／d=4．5的位置出现了一个峰值。

多斜孔气膜冷却壁表面换热系数实验研究

采用恒热流法 ,对 4种不同结构实验板的多斜孔气膜冷却壁表面换热系数进行了实验研究 ,研究的主要影响因素有 :吹风比、孔排列方式、孔间距和孔排距等 ,实验主流雷诺数约为 170 0 0 ,吹风比M =1～ 4。实验结果表明 :引入气膜冷却使表面换热系数明显增强 ;单一实验板换热随吹风比增大而增强 ;在相同单位面积开孔率情况下 ,列间距的影响大于排间距 ,即列间距越小换热越强。

利用上游斜坡改善气膜冷却效率的数值研究

为了获得气膜孔上游放置斜坡对气膜冷却效率的影响规律,采用数值模拟方法研究了斜坡的台阶高度分别为0.3D,0.5D,0.75D,1.0D和1.5D时不同吹风比下的流动过程和冷却效率分布情况,并与常规气膜孔冷却结构形式进行对比,以揭示斜坡对气膜冷却效率改善作用的影响机理。研究表明,在气膜孔上游设置斜坡,延缓了主流通过反向涡对对冷却气流的掺混作用,反向涡对强度减弱,冷却气流出流后的贴壁效果更好,提高了气膜冷却效率,随着吹风比的增加,斜坡高度较高时无论是在气膜孔中心线处还是在两气膜孔之间区域的冷却效率值都得到大幅度的提高。

气膜冷却流场的实验研究和数值模拟的分析

用Ｘ型双丝热线探头对扇形气膜孔射流下游流场的测量结果表明，湍流因射流的注入而显著增强，并存在十分明显的各向非同性。传统的应力和速度梯度的涡粘关系仍然适用于气膜冷却流场，但应该在不同的方向上分别对湍流粘性系数进行修正。标准ｋ－ε湍流模型可成功地模拟孔内流动和流向倾角α较小时的掺混气膜冷却流场，但在α较大时的孔中线附近区域内的流场模拟是不成功的，并导致冷却效率的模拟失败。

超音速射流气膜冷却效果的试验研究

以二维平板模拟高速导弹头罩上的探测窗口，用电加温产生的热气流模拟导弹飞行时的气动加热，对采用气膜冷却控制导弹探测窗口温度的效果及规律进行了研究。着重探讨了气膜冷却临界长度ＬＣ与气膜冷却有效度η随射流缝高ｓ、喷射率λ及主射流夹角α等参数的变化规律，并总结出一个相关参数及一些经验公式。研究结果与国外有关文献基本一致。

不同偏角多斜孔壁气膜冷却绝热温比研究

用传热传质类比实验的方法，研究了不同偏角多斜孔壁气膜冷却绝热温比，多斜孔壁由多斜孔实验板模拟。多斜孔实验板中，孔排列方式均为叉排，小孔与板表面夹角均为３０°，偏角从０°变化至５０°，孔排距比与孔间距比基本相等。研究结果揭示了不同孔偏角对多斜孔壁气膜冷却绝热温比的影响。

涡轮叶栅前缘气膜冷却对气动参数影响的数值研究

采用具有TVD性质的三阶精度有限差分格式、自由型曲面技术以及多区域网格算法,对前缘带有三排冷气孔的涡轮导叶进行了气膜冷却数值计算,分析了前缘冷气喷射对涡轮气动参数的影响,描述了叶型表面冷气射流的运动规律。结果表明,冷气喷射导致了流量、马赫数和温度较为明显的变化,前缘和吸力面获得的绝热效率高于压力面,压力面冷气射流的运动规律比较复杂。型面压力只在冷气孔区域有明显的波动。

气动参数对后台阶三维缝隙气膜冷却效率的影响

针对涡轮叶片尾缘冷却结构特点,建立了后台阶三维缝隙结构气膜冷却特性试验台,测量了缝隙中心和肋中心下游气膜冷却效率的局部分布,研究了气动参数变化对冷却效率的影响,其中基于缝高的二次流雷诺数变化范围是5 000~15 000,吹风比变化范围是0.5~2.0。试验结果表明:(1)二次流雷诺数对下游冷却效率的影响较小,对三维掺混区域的范围影响也不大;(2)吹风比对冷却效率有较大影响,总体上冷却效率随吹风比增大而降低;(3)吹风比对三维掺混区的范围及三维掺混的特征均有较大影响,吹风比较低时,二次流向两侧肋后区域的流动扩散性较好,有利于提高整个被保护面的冷却效率,吹风比较高时,二次流向两侧肋后区域的流动扩散性较差,造成肋后区域冷却效率较低。

孔阵排列疏密度对致密多孔壁冷却效果的影响

为了获得气膜孔阵排列的疏密度对致密多孔壁冷却效果的影响规律, 分别对四种疏密度排列下的平板热侧面上的冷却效果进行了数值模拟研究。各物理模型通过改变气膜孔径大小和孔间距得到不同的孔阵排列疏密度。为了便于相互比较, 各计算模型的边界条件完全相同, 而且平板气膜孔区单位面积上冷气流量均相等。计算结果显示: 在一定的范围内, 孔阵排列的疏密度越大, 冷却效果越好。在热侧面上的气膜孔区及其下游区, 致密多孔壁的冷却效果都非常好, 比同等条件下常规气膜冷却的效果好得多。

压力面气膜冷却数值模拟

针对典型高压涡轮叶型平面叶栅压力面气膜冷却,采用数值模拟方法,比较分析了不同冷气进口方式对计算结果的影响,并对冷气入射角度等参数对叶栅流场和性能的影响规律进行了研究。结果表明,在没有考虑二次流流动影响情况下,平面叶栅中通过管道给定冷气进口和直接在叶片表面给定冷气进口这两种方式对气膜冷却数值模拟结果影响很小,能量损失系数的差别仅为1%左右。冷气入射增加了叶栅损失,但能量损失系数与冷气入射角度并不是简单的单调关系,在入射角度从15°到60°的变化范围内,能量损失系数存在最小值,对应冷气入射角度在30°左右。

喷射角对涡轮叶栅端壁气膜冷却传热的影响

在大尺寸低速平面叶栅风洞中,对前缘上游有单排气膜孔的涡轮导向叶栅端壁气膜冷却进行了详细的传热实验。在喷射角为25°,35°和45°以及吹风比为1,2,3下测量了端壁面上的局部冷却效率和换热系数,并由此计算出了叶栅实际工作状态下的端壁热负荷。着重研究了喷射角对端壁气膜冷却的影响。数据表明减小喷射角度虽然能够显著的提高冷却效率,但同时也明显的增大了换热系数,最终的冷却效果取决于端壁热负荷的大小。

孔间距对锯齿槽改善气膜冷却特性影响

为了探索锯齿槽比横向槽气膜冷却更有效的机理,数值模拟研究了不同气膜孔间距下锯齿槽和横向槽下游流场、温度场及气膜冷却效率分布。吹风比为0.5和1.5,孔间距与气膜孔直径的比分别为2、3、4。结果表明:横向槽气膜冷却效率计算结果和实验数据吻合较好。相比于横向槽,锯齿槽展向导流能力增强。随着孔间距增加,孔中心线处漩涡对减弱,孔间区域更容易形成附加漩涡对,锯齿槽比横向槽气膜冷却效率提高更明显。孔间距p/D分别为2、3、4,吹风比0.5时,锯齿槽比横向槽面平均气膜冷却效率分别提高27%、35%和42%;吹风比1.5时,锯齿槽比横向槽面平均气膜冷却效率分别提高27%、95%和151%。