新型高效氣膜冷卻孔型的研究

《新型高效氣膜冷卻孔型的研究》是依託北京航空航天大學，由吳宏擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：新型高效氣膜冷卻孔型的研究
• 依託單位：北京航空航天大學
• 項目負責人：吳宏
• 項目類別：面上項目

項目摘要

本課題採用LES數值模擬和實驗研究的方法，通過對氣膜冷卻流動渦結構分析，設計一種可獲得高冷卻效率而又具有很強實用性的新型氣膜冷卻孔型，並獲得其結構參數和流動與換熱機理，通過實驗驗證其性能。同時對旋轉狀態下該新型孔的流動與換熱特性進行研究，獲得非慣性系下各種衍生力對氣膜冷卻流動作用的機理，探索在旋轉狀態下高效孔型結構和參數，並通過實驗驗證機理和性能的真實性。為這種新型高效氣膜冷卻孔型運用到航空發動機上奠定堅實的技術基礎。

結題摘要

氣膜冷卻是現代渦輪葉片中最有效的冷卻方式之一，對其進行持續而深入的研究是提高發動機性能的重要途徑。本課題主要研究新型抑渦氣膜冷卻孔型的流動換熱特性。採用數值模擬和實驗驗證的方法，對其在靜止狀態和旋轉狀態下的流動結構和各種相關影響因素對氣膜冷卻孔的冷卻效率進行了研究，並設計和最佳化出在一定吹風比下性能較為優異的氣膜冷卻結構型式。課題首先採用了大渦模擬（LES）的方法，對帶傾角的平板單孔氣膜冷卻的流動結構和換熱性能進行了細緻地分析，並獲得了氣膜冷卻效率、渦量分布和相干結構，以及髮夾渦對壁面摩擦對換熱的影響規律。通過該研究，從理論上掌握了氣膜冷卻孔的細緻流動結構和換熱機理，為抑渦氣膜冷卻孔的設計奠定了基礎。通過採用傳統的數值計算（CFD）和實驗的方法，對帶斜角和平行的抑渦冷卻孔的冷效性能進行了研究。先在靜止和固定吹風比條件下，對抑渦孔型的輔孔孔徑比、輔孔徑向傾角、輔孔展向位置、輔孔沿流向位置這四種不同特徵對冷效的影響進行了研究，獲得了靜止條件下冷效最佳的結構形式，並採用大渦模擬的方法對較優結構孔型進行了流動與換熱模擬，根據模擬結果對孔型結構進行了進一步的最佳化，獲得了研究範圍內最優的孔型結構。最後，對這種最優結構的孔型進行了旋轉條件下的研究。通過採用大渦模擬和實驗驗證的方法驗證了該孔型在旋轉狀態下的流動與換熱性能，分析了旋轉附加力項對抑渦孔輔孔射流與主孔射流之間的干涉作用的影響，探索旋轉狀態下大尺度湍流結構影響氣膜冷卻效率的物理機制，並通過實驗驗證了該新型孔在實驗條件下的冷卻效果。通過本課題的研究表明：本課題研究的新型抑渦氣膜孔比常規單氣膜冷卻孔型的冷效要提高70%以上，並且該孔型的加工難度和現有的單氣膜孔型一致，因此本研究獲得的成果具有很強的套用前景。希望能對本課題進行進一步的資助，以期可以將該項技術用於實際工程中去。本課題圓滿完成了課題任務書所規定的全部研究任務。