● 摘要
为了能够大幅提高航空涡轮发动机的推力和推重比，降低发动机的耗油率，在设计航空燃气涡轮发动机时，人们最直接的目标就是提高增压比和涡轮前温度。而这样做必然会带来的问题就是发动机的高温部件无法承受如此高的来流温度而遭到损坏。因此如何对处在高温环境下的发动机涡轮叶片进行冷却就成为了其设计的重中之重。实践表明，在现代航空发动机涡轮叶片冷却方式当中，气膜冷却是效率最高应用最广泛的冷却方式之一。正因为如此，自1972年燃气涡轮静子叶片采用气膜冷却以来，各国学者纷纷对气膜冷却的特性开展了深入而详细的研究。但是由于气膜冷却是一个非常复杂的流体掺混过程，影响气膜冷却特性的因素也非常多，人们不可能一步到位的深入了解其全部特性与规律，而只能通过由浅入深、由简单到复杂的研究方法来逐步了解气膜冷却的掺混机理。在此前的研究中，研究者大多采用简化的几何模型或涡轮叶片研究静止状态下气膜冷却的规律，然后根据理论及工程经验来指导涡轮叶片气膜冷却的设计，而对于更具学术和应用价值的旋转状态下的气膜冷却研究，尤其是基础性实验数据的研究则非常少见。针对这一空白本文采用实验为主、数值模拟为辅的方法重点研究旋转状态下弯曲表面气膜冷却的特性以及各准则数对气膜冷却效果的影响规律，积累必要的基础性实验数据，指导涡轮叶片气膜冷却的设计。本文首先从理论上对旋转状态下气膜冷却的基本控制方程组进行了详细地分析，得到各旋转附加力和主要无量纲准则数对气膜冷却出流及附壁程度的影响规律。结果表明，在旋转状态下哥氏力和浮升力是影响气膜轨迹偏转的主要因素，同时旋转数、吹风比和密度比都会对冷气所受到的哥氏力和浮升力产生影响，进而影响到其轨迹偏转程度。对于弯曲表面气膜冷却，壁面曲率和各个准则数的综合作用决定了气膜吸附壁面的程度，因此也就决定了气膜冷却效率和换热系数的数值，各因素综合作用的结果使得旋转状态下的气膜冷却规律十分复杂。本文有关旋转状态下弯曲表面气膜冷却的实验是在北京航空航天大学气动热力国家重点实验室的多功能旋转外换热实验台上完成的。实验分别采用曲率r=200mm的凸表面和凹表面作为研究对象，在其测试表面的中心位置开设一个圆柱形气膜孔，孔径D=4mm，流向倾角30°，展向倾角90°。为得到被测试表面准确的温度场分布，实验采用了先进的稳态液晶测温技术，并配合旋转拍照技术捕捉液晶的彩色图像。实验分别得到了静止和旋转状态下不同吹风比、旋转数、主流雷诺数和密度比时气膜冷却效率和换热系数的详细数据。结果表明①静止状态下气膜覆盖区域沿主流流向中心线呈对称分布，而旋转状态下气膜轨迹将会发生沿展向的偏转，并且凸表面上气膜的偏转程度要大于凹表面上；②气膜吸附壁面的能力和冷却气与主流掺混的程度是影响气膜冷却效率和换热系数数值及分布的主要因素，而本文所研究的各准则数都会对这两个评价指标产生一定的影响，并且其共同作用的结果会使得气膜冷却特性变得更加复杂；③由于壁面曲率的影响，气膜冷却在不同的弯曲表面上表现出不同的特性，总的来说在本文所研究范围内静止时凸表面具有较高的气膜冷却效率和较低的换热系数；而旋转状态下凸表面的冷却效率和换热系数均低于凹表面。通过与实验数据的对比可以知道，采用各项同性的SST k-ω湍流模型对气膜冷却进行研究可以在趋势上得到较为准确的结果，但数值上会与实验数据产生较大的差异。此外，通过对不同曲率弯曲表面气膜冷却的数值模拟可以得到，随着壁面曲率的增大，凸表面上气膜冷却效率和换热系数均单调下降，而凹表面上气膜冷却效率单调上升，换热系数则单调下降。