题目：旋转状态下气膜出流沿曲面与主流掺混机理的研究

气膜冷却是在高负荷燃气轮机和航空发动机上有重要应用的先进冷却技术，是现代涡轮叶片必选的冷却方式之一，对其进行持续而深入的研究是提高燃气轮机性能的重要途径。由于旋转状态下气膜冷却的实验研究对实验设施要求高、难度大，国内外对气膜的研究基本局限于静止状态，对于更具学术和应用价值的旋转状态下气膜与主流掺混过程的研究则报道甚少。为了深入理解旋转坐标系下各种旋转附加力如离心力、哥氏力、离心浮升力等对气膜出流的作用机理，本论文研究将采用理论分析、实验研究及CFD数值模拟三种方法对旋转状态下的曲面气膜出流进行研究，积累必要的基础性研究数据，从而为改进湍流模型，进而为气膜冷却的设计打下基础。旋转状态下弯曲壁面的气膜冷却效果是由气膜流动情况决定的，气膜贴附壁面则冷却效果好，气膜脱离壁面冷却效果差，而射流轨迹的运动趋势可通过考察各个力的平衡来研究。据此，本文理论分析推导出了影响旋转状态下曲面气膜出流的参数并对其作用机理进行了分析。分析发现，局部旋转数、曲率半径和动量流量比是三个重要的影响参数，其中局部旋转数被用来衡量旋转对曲面气膜出流的影响；局部旋转数及曲率半径对气膜冷却的影响规律在凸面和凹面是相反的；动量流量比是一个衡量气膜脱离壁面与否的重要参数。通过数值模拟也印证了这一结论。基于进行航空发动机涡轮叶片外换热流动与换热机理分析的需要，设计建设了涡轮叶片外换热实验台。实验台可进行先进的光学测量，提供相应的流场和温场信息，在本实验中就采用了液晶来得到温场信息。针对旋转而引发的实验困难，应用无线发射方式解决了转静系间数据传输问题；采用了接触封严及迷宫封严技术保证了转动设备及静止设备间的气密性；通过碳刷--铜环引电方式解决了旋转系统的供电。实验台可完成旋转状态下的叶片气膜冷却实验研究。在旋转外换热实验台上，对转速、吹风比、温度比、主流雷诺数、密度比等参数对气膜掺混过程的作用规律进行了系统的实验研究。实验结果表明旋转会对气膜覆盖区域产生影响,即在旋转作用下气膜出流在叶片展向上发生偏转：对于压力面，转速低时受哥氏力影响向低旋转半径方向偏转，随着转速的提升，离心浮升力影响加大，驱使气膜向高旋转半径方向偏转；在吸力面上，离心力和哥氏力共同驱使气膜出流一直向高旋转半径方向偏转。旋转状态下，压力面的冷却效率会随转速先上升后下降，而吸力面的冷却效果则很稳定，并且还有改善。随着温度比的降低，冷却效率增加。动量流量比的变化对吸力面的气膜出流影响很小。通过对实验工况的数值模拟，对比了不同湍流模型的计算结果。结果表明并没有合适的湍流模型能够和实验结果取得很好的一致性，需要对湍流模型进行一定的修正以考虑旋转所产生的附加效应。但综合来看SST模型的计算结果更为理想，这为湍流模型的修正奠定了基础，指明了方向，从而为通过CFD模拟旋转状态下气膜与主流的掺混过程，进行工程实际设计奠定了基础。最后基于旋转对气膜覆盖区域和冷却效果的影响提出了旋转状态下衡量气膜出流冷却效果的评价体系。