纵向波纹隔热屏气膜冷却特性研究

发布时间：2017-10-07 07:01

  本文关键词：纵向波纹隔热屏气膜冷却特性研究

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【摘要】：本文以航空发动机加力燃烧室隔热屏为研究对象,开展了加力燃烧室纵向波纹隔热屏气膜冷却特性的模型实验与数值模拟研究工作,为加力燃烧室发动机隔热屏设计提供参考。主要研究内容和结论如下:1)设计和搭建了隔热屏气膜冷却特性实验系统,测试了典型结构的纵向波纹隔热屏在不同吹风比、开孔率、振幅下的壁面温度和通道压力分布。实验数据分析表明:与平板隔热屏相比,波纹板隔热屏呈现出波峰区域温度高,波谷区域温度低的特点;在相同的二次流流量条件下,波纹板隔热屏的冷却效率要大于平板隔热屏的冷却效率;提高吹风比、增加开孔率均能降低隔热屏壁面的温度,提高气膜冷却效率;气膜冷却效率随着隔热屏振幅的增加先增大后减小。不同结构型式的隔热屏流量系数变化趋势大致相同,即随着次流雷诺数的增加,流量系数略微增加;随着吹风比的增加流量系数先缓慢增加,而后趋于不变;在相同的次流雷诺数条件下,流量系数随开孔率的增加逐渐减小,随振幅的增加,先增加后减小。2)在实验的基础上,对典型结构的实验模型进行数值模拟,对比分析表明:数值模拟结果与实验数据分布趋势一致,冷却效率相差约3%-8%,流量系数相差约6%。3)对正弦型纵向波纹隔热屏,计算分析了吹风比、孔间距、波纹板结构等参数对隔热屏流动和换热的影响。结果表明:增大吹风比M、减小展向间距比p/L、减小流向间距比s/L均能提高气膜冷却效率;随着冷却通道高度比H/L的增加,气膜冷却效率略有增加;增加隔热屏振幅比A/L,能够提高隔热屏第一周期区域及下游次流迎风侧波谷区域的气膜冷却效率;隔热屏波数越多,下游次流迎风侧波谷区域的气膜冷却效率越大;在M=0.5、H/L=0.158和A/L=0.126的条件下,第一、二周期波谷处均出现了逆流现象,随着吹风比加大、冷却通道高度的增加和隔热屏振幅的减小,逆流现象均得到改善;对于不均匀气膜孔,随着次流迎风侧孔排数的减少,气膜冷却效率整体上提高。4)对非正弦型纵向波纹隔热屏,数值模拟了不同单位面积冷气用量Q_f条件下3种波纹板结构对流动与换热的影响。结果表明:当Q_f≤5.4kg/(m~2.s)时,随着波峰向下游偏移距离的增加,气膜冷却效率在次流迎风侧逐渐加大,背风侧逐渐减小,且偏转距离越大,冷却效率在次流迎风侧的提升越明显;当Q_f5.4kg/(m~2.s)时,各结构下的冷却效率相差不大,随着向下游距离的发展,隔热屏冷却效率增加速度趋于平缓,Q_f越大趋于平缓所需的时间越短。
【关键词】：纵向波纹隔热屏 加力燃烧室 气膜冷却 冷却特性 流动特性 实验研究 数值模拟
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V231
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-15
• 第一章 绪论15-22
• 1.1 研究背景15-16
• 1.2 隔热屏国内外研究概述16-20
• 1.2.1 平板隔热屏研究近况及分析16-18
• 1.2.2 横向波纹隔热屏研究近况及分析18-19
• 1.2.3 纵向波纹隔热屏研究近况及分析19-20
• 1.3 本文主要内容20-22
• 第二章 典型结构的纵向波纹隔热屏气膜冷却实验22-44
• 2.1 气膜冷却实验系统与实验件22-24
• 2.1.1 实验系统22
• 2.1.2 实验段22-23
• 2.1.3 波纹板实验件23-24
• 2.2 实验设备24-27
• 2.2.1 气源设备24
• 2.2.2 加热设备24-25
• 2.2.3 流量测量设备25-26
• 2.2.4 压力测量设备26
• 2.2.5 温度测量设备26-27
• 2.3 数据处理及误差分析27-29
• 2.3.1 实验参数定义27
• 2.3.2 数据采集和处理方法27-28
• 2.3.3 误差分析28-29
• 2.4 实验结果及分析29-43
• 2.4.1 隔热屏板型对流动和换热的影响29-33
• 2.4.2 吹风比对隔热屏流动和换热的影响33-35
• 2.4.3 隔热屏开孔率对流动和换热的影响35-39
• 2.4.4 隔热屏振幅对流动和换热的影响39-43
• 2.5 本章小结43-44
• 第三章 纵向波纹隔热屏气膜冷却数值模拟44-94
• 3.1 数值计算的实验验证44-48
• 3.1.1 湍流模型的试验验证44
• 3.1.2 实验对比计算模型44-45
• 3.1.3 边界条件45
• 3.1.4 网格划分与独立性试验45-46
• 3.1.5 计算与试验结果的对比分析46-48
• 3.2 正弦纵向波纹隔热屏气膜冷却数值分析48-85
• 3.2.1 数值计算模型48-49
• 3.2.2 边界条件49-50
• 3.2.3 网格划分与独立性试验50
• 3.2.4 计算参数定义50-51
• 3.2.5 吹风比对流动和换热的影响51-57
• 3.2.5.1 流动特性52-55
• 3.2.5.2 换热特性55-57
• 3.2.6 气膜孔展向间距对流动和换热的影响57-62
• 3.2.6.1 流动特性58-60
• 3.2.6.2 换热特性60-62
• 3.2.7 气膜孔流向间距对流动和换热的影响62-67
• 3.2.7.1 流动特性62-65
• 3.2.7.2 换热特性65-67
• 3.2.8 隔热屏冷却通道高度对流动和换热的影响67-72
• 3.2.8.1 流动特性68-70
• 3.2.8.2 换热特性70-72
• 3.2.9 隔热屏振幅对流动和换热的影响72-76
• 3.2.9.1 流动特性72-74
• 3.2.9.2 换热特性74-76
• 3.2.10 隔热屏波数对流动和换热的影响76-79
• 3.2.10.1 流动特性76-78
• 3.2.10.2 换热特性78-79
• 3.2.11不均匀气膜孔对流动和换热的影响79-85
• 3.2.11.1 流动特性80-82
• 3.2.11.2 换热特性82-85
• 3.3 非正弦纵向波纹隔热屏气膜冷却数值分析85-92
• 3.3.1 结构参数及计算工况85-86
• 3.3.2 计算结果分析86-92
• 3.3.2.1 流动特性86-89
• 3.3.2.2 换热特性89-92
• 3.4 本章小结92-94
• 第四章 总结与展望94-97
• 4.1 本文研究结论94-96
• 4.1.1 典型结构的纵向波纹隔热屏气膜冷却实验94-95
• 4.1.2 纵向波纹隔热屏气膜冷却数值模拟95-96
• 4.2 展望96-97
• 参考文献97-100
• 致谢100-101
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文101

【参考文献】

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本文编号：987520