气膜孔内局部堵塞对气膜冷却特性的影响的研究

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随着航空发动机的快速发展,推质比以及热效率不断提高,涡轮进口温度呈现逐渐增加的趋势。为防止涡轮叶片过热,必须采用高效的主动冷却技术。气膜冷却作为一种有效的冷却手段,通过将内部低温空气从涡轮叶片表面上的孔或缝喷出以保护涡轮叶片表面不受高温气流的直接冲刷。然而,当燃气涡轮发动机在含砂尘或污染严重的环境中工作时,外部微细颗粒的侵入极易在涡轮叶片冷却结构中形成沉积堵塞。考虑到气膜孔内的局部堵塞会影响到气膜冷却的效果,掌握气膜孔内局部堵塞对气膜冷却特性的影响,进而趋利避害,是非常有必要的。基于上述背景,本文对几种堵塞情况下的气膜冷却模型进行数值模拟并分析结果,最终得到这几种工况下的堵塞比等因素对气膜冷却特性的影响。首先,将气膜孔内的局部堵塞简化成楔形凸脊;然后,以单排孔平板气膜冷却为研究对象,利用Fluent软件对几种堵塞情况下的气膜冷却进行数值模拟。通过对比和分析几种堵塞比、堵塞位置等条件下的出口下游温度场和流场,得到这些因素对气膜冷却特性的影响。结果表明:迎风侧出气端上的局部堵塞对出口下游冷却效果有显著的提高作用;而背风侧出气端局部堵塞则在堵塞比高于0.2时对出口下游冷却效果有明显的削弱作用;气膜孔侧边出气端的堵塞物会极大的削弱冷气射流对壁面的保护能力,尤其是在高吹风比或高堵塞比下。相比于出气端局部堵塞,气膜孔中部和进气端局部堵塞对出口下游的冷却效果影响较弱。此外,几种位置上的局部堵塞也使气膜孔内次流流动和出口下游反向涡对等产生一定的改变。接着,本文在数值模拟的基础上,针对M=0.3、0.5、0.75、1.0、1.5几种吹风比下,气膜孔内局部堵塞对平板气膜冷却特性的影响进行了实验研究。针对实验结果,本文主要分析了吹风比、堵塞比以及堵塞位置对流量系数、绝热冷却效率的影响。结果表明:几种位置上的局部堵塞对出口下游气膜冷却特性的影响,与数值模拟的结果基本吻合。
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