等离子体气动激励改善气膜冷却流动特性的大涡模拟研究

发布时间：2020-09-29 06:59

　　 气膜冷却是现代高性能燃气涡轮热端部件的重要冷却方式,随着航空发动机性能要求的不断提高,未来涡轮前燃气温度将达到2300K以上,传统气膜冷却技术已不能满足未来热端部件的冷却需求,亟需探索新型、高效的气膜冷却技术。对于气膜冷却而言,如何减小气膜冷却射流穿入高温燃气的深度以及增强冷却流体沿流向和展向的覆盖能力是提高冷却效率的关键科学问题。作为一种新型主动流动控制技术,介质阻挡放电(Dielectric barrier discharge,简称DBD)等离子体流动控制技术近年来呈现出蓬勃发展的新态势,为进一步提高气膜冷却效率提供了新概念和新思路。本文结合DBD等离子体激励器的放电特性和实验数据,建立了DBD等离子体气动激励唯象学模型并验证了其准确性,首先采用大涡模拟方法开展了条形电极等离子体激励器气动激励下平板圆孔气膜冷却流动特性的基础研究,归纳了不同几何参数和气动参数条件下等离子体气动激励对冷却射流出口速度分布、射流轨迹以及下游湍流场的影响规律,展示了等离子体气动激励前后气膜冷却流场的流动图画,揭示了条形电极激励器气动激励提高气膜冷却效率的物理机制,并以此为基础进一步研究了条形电极激励器沿展向布置时对气膜冷却特性的影响。研究结果表明,条形电极激励器沿流向布置时产生的下拉诱导和流向动量注入效应占主导,在此作用下冷却流体更加贴近壁面且加速向下游流动,气膜冷却流场内相干结构的尺度减小并提早破裂成小尺度湍流结构,抑制了冷却射流远离壁面的趋势。条形电极激励器沿展向布置时产生的展向动量注入效应则占主导,提高了冷却流体的展向扩张能力且诱导产生与肾形涡对旋转方向相反的流向涡对,从而拓宽了冷却气膜的展向覆盖范围。在上述研究基础上,提出了兼具流向和展向诱导能力的锯齿电极等离子体激励器,首先研究了锯齿电极激励器沿展向不同敷设位置对平板圆孔气膜冷却流动特性的影响,发现锯齿电极齿尖位于气膜孔中心线上时诱导的流向涡对与肾形涡对的旋转方向相反,而且其产生的展向扩散效应促使冷却流体向两侧扩张流动,使得冷却气膜沿流动方向呈发散状,而锯齿电极齿根位于气膜孔中心线上时则产生与肾形涡对方向相同的流向涡对,并诱导高温主流侵入冷却射流两侧区域,导致冷却气膜沿流动方向呈聚敛状。其次,系统研究了锯齿电极激励器对平板圆形孔和扇形孔气膜冷却流动和气动损失的影响,探索了锯齿电极激励器气动激励前后气膜冷却流场内湍流相干运动和发展的特点及其空间相关和谱分析,运用损失分离方法和熵产分析法研究了锯齿电极激励器气动激励对气膜冷却气动损失的影响,揭示了锯齿电极激励器气动激励、冷却射流和高温主流间相互作用的独特物理特征。研究结果表明,锯齿电极激励器与扇形孔相结合能够显著提高气膜冷却效率,气膜冷却流场内相干结构的尺度明显减小并提前破裂成小尺度的近壁条带结构,而且二阶脉动速度空间相关函数和波谱函数从物理空间和波数空间上也证实了锯齿电极激励器气动激励后气膜冷却流场内相干结构的尺度减小、组织性增强,同时其诱导产生的流向涡对也增强了冷却流体在展向上的湍流输运能力。锯齿电极激励器气动激励后气膜孔下游的掺混损失显著减小,尤其是扇形孔下游横截面上的掺混损失由“单峰”分布发展成“双峰”分布,气膜冷却引起的熵增也显著减少。在本文所研究吹风比条件下锯齿电极激励器气动激励均使气膜冷却效率和气动损失分别得到不同程度的提升和降低。最后,为评估DBD等离子体激励器应用于真实涡轮气膜冷却的性能,运用大涡模拟方法研究了等离子体气动激励对C3X型涡轮导叶压力面上气膜冷却特性的影响,展示了等离子体气动激励前后流场内旋涡结构和湍流相干结构的时空演化形态,揭示了条形电极和锯齿电极等离子体激励器强化压力面上气膜冷却效果的机理,系统分析了锯齿电极激励器与扇形孔相结合对压力面上气膜冷却流动特性的影响。研究结果表明,由于主流流速较高和压力面上顺压梯度的影响,气膜孔下游的肾形涡对沿壁面流向被拉伸至较远的距离,随后其末端率先破裂成离散的相干结构,锯齿电极激励器气动激励后扇形孔冷却射流的吹离现象消失,气膜冷却流场内相干结构的尺度减小、间歇性减弱,从而增强了冷却气膜的连续性和均匀性,沿程的气膜冷却效率得到提高。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TK471
【部分图文】：

图 1-1 航空发动机涡轮前温度与金属耐热温度的发展趋势[4]Fig. 1-1 Development of the temperature ofturbine inlet and material melting[4]图 1-2 涡轮叶片冷却技术的发展历程[6]Fig. 1-2 The development of the coolingtechnique in modern gas turbine[6]从叶片表面离散孔喷出的冷却射流与高温燃气相互作用在气膜孔附近及其下游产生的复杂涡系结构决定了冷、热流体之间的掺混过程，从而影响气膜

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5 王文三;涡轮中气膜孔孔型及叶片气膜冷却的流动和冷却机理研究[D];中国科学院研究生院（工程热物理研究所）;2012年

6 姚玉;收敛缝形孔气膜冷却特性研究[D];南京航空航天大学;2010年

7 董平;航空发动机气冷涡轮叶片的气热耦合数值模拟研究[D];哈尔滨工业大学;2009年

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9 李钢;等离子体流动控制机理及其应用研究[D];中国科学院研究生院（工程热物理研究所）;2008年

本文编号：2829394