气膜—发散组合冷却结构流动换热特性研究

发布时间：2020-11-11 15:42

　　 随着航空发动机的推重比不断提高,其面临的高温挑战愈加严峻。火焰筒作为燃烧室的重要部件,在燃烧过程中承受着最高的温度载荷。为了保证火焰筒的耐久性和可靠性,必须采用先进高效的冷却措施对火焰筒壁面进行冷却。气膜-发散组合冷却结构形式集成了纯气膜冷却和纯发散冷却的优点,是一种先进的冷却方式。目前,针对气膜-发散组合冷却结构冷却特点以及影响因素的研究还不够充分,为此,本文设计了三种不同发散孔排布形式的组合冷却结构,采用实验研究与数值模拟相结合的方法研究了气动参数和几何参数对综合冷却效率、绝热冷却效率和对流换热系数的影响规律,结果表明:(1)主流雷诺数在实验范围内,对综合冷却效率、绝热冷却效率影响不大;但对对流换热系数有一定的影响,随着主流雷诺数的增大,对流换热系数逐渐增加。(2)吹风比对气膜-发散组合冷却结构的传热特性有一定的影响,当吹风比M由0.5增大到4时,随着吹风比的增大,实验板综合冷却效率明显升高,但当吹风比超过4后,继续增大吹风比,综合冷却效率以及绝热冷却效率均未呈现明显的增加趋势,而对流换热系数随着吹风比的增加而提高。(3)有、无气膜缝槽对气膜冷却的综合冷却效率、绝热冷却效率和对流换热系数有较大的影响,一般而言,气膜缝槽会使得综合冷却效率、绝热冷却效率和对流换热系数得到提升。(4)对于三种发散冷却结构,流向间距最大、展向间距最小的实验板Ⅲ的对流换热系数和绝热冷却效率要高于其他两种形式,流向间距和展向间距均居中的实验板Ⅱ次之,流向间距最小、展间距最大的实验板I最低。从综合冷却效果来看,当吹风比小于5时,实验板I的综合冷却效率明显高于其它两种实验板;当吹风比超过5后,在发散板的后半部分,实验板Ⅲ的综合冷却效率得到了明显提高。
【学位单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V231
【部分图文】：

图 1.1 气膜冷却原理示意图发散冷却[2]又称为全覆盖气膜冷却[3-4]或称为多孔壁冷却[5]，其原理与气膜冷却相似。它是用激光或电火花等技术在壁面上打出大量密集的小孔，其直径非常小，冷气在压差的作用下从这些小孔中以射入高温主流中，在主流的抬升作用下在热侧壁形成均匀的气膜层，隔离高温主流，从而对壁面形成冷却。发散冷却结构如图 1.2 所示，其特点为：（1）由于孔径小，孔出口射流穿透深度较小，贴壁效果更好；（2）由于发散孔排布密集而均匀，因而可以形成均匀覆盖的气膜层，可以有效降低高温主流与壁面之间的对流换热。斜孔还可以有效地增大壁面内部的对流换热面积，获得更加的冷却效果。如果保证相同的开孔率减小孔径，增多数量，极限情况下可以达到等壁温壁面，相比传统的气膜冷却可以显著减小热应力，延长高温部件的寿命；（3）由于冷却气膜壁面效果极佳，不会对燃烧产生不良影响，也可以避免冷气掺混带来的降温，易于获得高效燃烧性能。图 1.2 多斜孔气膜冷却结构

南京航空航天大学硕士学位论文响规律。研究发现：（1）吹风比的增加会使得绝热冷却效率、综合冷系数均增大；（2）在开孔率相同的前提下，气膜孔径越小，冷却效率膜侧向覆盖变好，综合冷却效率和对流换热都随着偏转角的增大而提冷侧对流换热的影响不是很明显。由图 1.5 的效率可以看出，无论对却效率，发散冷却对实验板起始段的热防护效果并不理想。

南京航空航天大学硕士学位论文的影响规律。研究发现：（1）吹风比的增加会使得绝热冷却效率、综合冷却效换热系数均增大；（2）在开孔率相同的前提下，气膜孔径越小，冷却效率越大得气膜侧向覆盖变好，综合冷却效率和对流换热都随着偏转角的增大而提高。侧和冷侧对流换热的影响不是很明显。由图 1.5 的效率可以看出，无论对于绝热合冷却效率，发散冷却对实验板起始段的热防护效果并不理想。图 1.3 多孔壁冷却效率计算模型
【参考文献】

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本文编号：2879394