跨尺度空間冷氣射流渦系演化規律和氣膜冷卻機理研究

《跨尺度空間冷氣射流渦系演化規律和氣膜冷卻機理研究》是依託瀋陽航空航天大學，由張魏擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：跨尺度空間冷氣射流渦系演化規律和氣膜冷卻機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：張魏
• 依託單位：瀋陽航空航天大學

項目摘要

衝擊+氣膜複合冷卻由於冷氣利用率高，間隙控制回響快，最近被套用在高性能航空發動機主動間隙控制傳熱設計中。氣膜冷卻存在於小尺度葉尖間隙和大尺度葉柵通道構成的跨尺度空間，流動傳熱機理尚不明了。數值模擬初步證明跨尺度對氣膜冷卻有一定影響。本項目將針對跨尺度空間渦系演化規律和氣膜冷卻機理兩個關鍵科學問題，採用數值模擬、理論分析和實驗測量相結合方法，進一步研究渦繫結構、尺度、溫度分布、速度分布、堵塞效應及冷卻效率等內容。揭示冷氣射流渦系演化規律。獲得冷卻效率典型分布。採用熱驅動和渦強化傳熱理論分析渦系演化規律——熱擴散特性——冷卻效率三者相互關係，闡明跨尺度空間氣膜冷卻機理。推導跨尺度交接區冷熱流體摻混溫度、速度分布表達式，建立跨尺度空間氣膜冷卻理論模型，求解渦輪外環壁面冷卻效率分布。該研究取得的成果將豐富微小尺度流動傳熱理論，為航空發動機主動間隙控制中的傳熱精準設計奠定理論分析基礎。

結題摘要

渦輪外環位於發動機渦輪機匣和渦輪葉片之間，起到保護髮動機機匣免受高溫流場侵蝕和減少泄漏流動的作用。外環結構和附近燃氣流動特點決定了外環表面既有複合角射流，又有逆向射流氣膜冷卻。同時，渦輪外環處於小尺度葉頂間隙和大尺度葉柵通道相互作用的非定常氣膜冷卻中，該研究對於理論創新和工程套用具有重要意義。 採用數值模擬的方法詳細地分析渦輪外環氣膜冷卻渦系演化規律和氣膜冷卻機理。獲得了具有渦輪外環特徵的逆向氣膜孔射流渦系演化規律和氣膜改進機理。研究了渦輪外環所處的葉頂間隙和葉柵通道構成的跨尺度空間渦系演化規律和氣膜冷卻機理。 針對渦輪外環結構特徵搭建了氣膜冷卻實驗台。採用瞬態液晶測溫技術開展了渦輪外環氣膜冷卻實驗研究，並提出了渦輪外環槽孔改進方案，進行了實驗驗證。 根據實驗和數值模擬結果，建立渦輪外環冷卻理論模型，編制了渦輪外環冷卻計算軟體。 研究結果表明：射流角15°具有最佳的氣膜冷卻效率和展向覆蓋面積，其中60°轉角具有最高的展向平均氣膜冷卻效率。射流角75°結構下，轉角對氣膜冷卻效率的影響較小，漩渦結構明顯，容易使冷氣脫離壁面；轉角180°結構具有最穩定的氣膜冷卻效率。渦輪外環的氣膜孔分別位於葉頂間隙和葉柵通道時的氣膜冷卻擴散明顯不同。 在孔槽結構基礎上提出圓孔-鋸齒槽結構。鋸齒槽結構改善了氣膜的展向覆蓋效果，同時抑制了大吹風比時二次流脫離壁面的趨勢。鋸齒槽的存在提高了氣膜孔出口附近的換熱係數，往下游發展，提高幅度逐漸降低，在氣膜孔遠處低於圓柱孔結構的換熱係數;槽越深氣膜冷卻效率分布越均勻。槽彎角越小，導流作用越好，展向平均氣膜冷卻效率越高。針對渦輪外環冷卻模型編制的計算軟體，在某型發動機渦輪外環冷卻結構設計中已經套用。