【摘 要】
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提高涡轮前温度是保障先进航空发动机整体性能的基础,改进涡轮叶片内部冷却通道设计是提高涡轮前温度的重要途经之一。良好的冷却通道结构设计可以提升涡轮耐受温度达到几百摄氏度,确保涡轮在高速、高温和高压的环境中保持高效率、高可靠性和较长的寿命。掌握涡轮叶片内部冷却通道的流动换热机理将有助于优化涡轮叶片内部冷却结构的设计,提高涡轮叶片工作温度。本文利用水流模拟试验的优势,结合数值仿真对涡轮叶片内部冷却通道内
【基金项目】
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中国航发沈阳发动机研究所涡轮叶片气冷通道典型结构水流模拟性能试验和优化设计项目；
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提高涡轮前温度是保障先进航空发动机整体性能的基础,改进涡轮叶片内部冷却通道设计是提高涡轮前温度的重要途经之一。良好的冷却通道结构设计可以提升涡轮耐受温度达到几百摄氏度,确保涡轮在高速、高温和高压的环境中保持高效率、高可靠性和较长的寿命。掌握涡轮叶片内部冷却通道的流动换热机理将有助于优化涡轮叶片内部冷却结构的设计,提高涡轮叶片工作温度。本文利用水流模拟试验的优势,结合数值仿真对涡轮叶片内部冷却通道内不同结构参数和流动参数下的流动换热特性进行分析。改造原实验室精密循环水槽为内流实验设备,利用粒子流动显示和粒子图像测速（PIV）技术对带肋通道内的流场进行定性和定量的观测,分析涡轮叶片内部冷却通道不同的结构参数和流动参数对带肋通道内流场结构影响。同时,结合换热特性分析了带肋通道内的换热机理。研究结果表明:带肋通道肋区间内的流动具有强烈的三维流动特征,且肋区间内基本没有“流动死区”,肋区间内主要流动结构包括:顺时针和逆时针的横向涡、纵向涡、近壁区回流、冲击流以及横向扰流;分析不同雷诺数、肋间距与肋高比（p/e）以及肋截面形状对换热特性影响的结果表明,相比光滑通道,带肋通道内换热特性明显提升,其综合换热效率（η）最大可提升40.26%,但随着雷诺数的增加,综合换热效率增幅逐渐下降。相比肋间距与肋高比和肋截面形状,雷诺数对带肋壁面上无量纲努塞尔数（Nu/Nu0）分布的影响较小;综合分析不同工况下带肋通道内的流动换热特性表明:肋区间内横向涡以及纵向涡的下洗流区域和流动再附着区域的冲击流动处具有最好的强化换热效果,其次是横向扰流,强化换热效果最弱的是近壁区的回流。
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