【摘 要】
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射流冲击是航空发动机热端部件、涡轮机匣主动间隙控制系统强化换热中的一种有效技术手段,其通过冷却空气管将风扇、压气机处的冷气输送至需要冷却的部位,采用射流冲击来强化表面的对流换热效果。冷却空气管承担着容纳并分配冷却气体的作用,其内部容腔效应与冷却气体的分配均匀性和冷却能力密切相关。近些年,研究人员尝试利用脉冲射流来强化传热,它作为主动强化换热的新形式,在一定条件下可以增强换热效果。本文以主动间隙控制
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射流冲击是航空发动机热端部件、涡轮机匣主动间隙控制系统强化换热中的一种有效技术手段,其通过冷却空气管将风扇、压气机处的冷气输送至需要冷却的部位,采用射流冲击来强化表面的对流换热效果。冷却空气管承担着容纳并分配冷却气体的作用,其内部容腔效应与冷却气体的分配均匀性和冷却能力密切相关。近些年,研究人员尝试利用脉冲射流来强化传热,它作为主动强化换热的新形式,在一定条件下可以增强换热效果。本文以主动间隙控制系统中的冷却空气管为研究对象,对脉冲射流经冷却空气管的流动响应特性进行实验研究。研究中引入了响应时间t Ur、迟滞时间t Ud和出流速度系数三个评价参数,对脉冲射流在冷却空气管内的响应特性进行定量分析。此外,还重点分析了脉冲频率f、进口雷诺数Re、管径D、孔径d、孔间距S/d、孔数n、壁厚t等参数变化对流动响应特性带来的影响。研究中首先针对一端进气、一端封闭、单排40个出流孔的冷却空气管,采用了热线风速仪等测量设备,进行了冷却空气管内脉冲射流流动响应特性的实验研究。实验重点分析了f(1Hz~20Hz)、Re(5000~20000)等参数变化对流动响应特性带来的影响。研究发现,在一个脉冲周期内,冷却空气管出流速度的t Ur,t Ud沿程逐渐增加,基本保持不变。在本文实验参数范围内,f和Re增加,冷却空气管t Ur,t Ud所占脉冲周期的比例和逐渐增加。f、Re越大,冷却空气管内压力越大,容腔内流容Cm越小。在此基础上,本文还针对不同结构参数(D:20mm~40mm;d:1.0mm~1.6mm;S/d:6~10;n:30~50;t:30~50)的冷却空气管脉冲射流出流响应特性进行了实验研究。研究表明:不同结构参数的冷却空气管的t Ur,t Ud所占脉冲周期的比例,随着D、S/d、t的增加而减小,随着d、n的增加而减小。随着D、t的增加而增加,随着d、S/d、n的增加而减小。Cm随着D、t的增加而减小,随着d、S/d、n的增加而增加。同时,随着Re和f的增加,不同结构参数的冷却空气管的t Ur,t Ud所占脉冲周期的比例均逐渐增加,也都呈增加趋势。不过,对于不同S/d、n、t的冷却空气管,Re和f的增加对其的影响总体不大。此外,本文还定义了出流质量系数,来综合评价脉冲射流经冷却空气管后的出流特性对其潜在的换热效果的影响。研究发现,冷却空气管进出口面积比M是影响冷却空气管的最主要因素,而S/d、t/d这两个因素对的影响相对较小,尤其t/d的影响最小。同时,依据的大小,在本文的研究工况下,最佳结构工况选择为:D为40mm,d为1.3mm,S/d为6,n为40,t为2.0mm;最佳气动工况选择为:Re为20000,f为1Hz。
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