● 摘要
为了追求航空发动机高推重比、高性能等目标，提高涡轮前温度是一种重要途径。针对当前越来越高的涡轮前温度，合理高效的涡轮叶片内部冷却技术对于实现有效冷却至关重要。实际涡轮叶片内部冷却是通过冷却气体流过其内部蛇形通道强化换热实现的，因此迫切需要进行相应的旋转通道流动换热的基础研究。由于旋转会引入哥氏力和离心力等影响，使得流动换热特性变得复杂；另一方面由于流动对于换热有着决定性的影响，因此要设计好涡轮叶片内冷通道，必须要深入了解旋转通道流动特性。
因此，针对这一背景，本文主要以搭建旋转通道实验台为基础，以旋转方形直通道为研究对象，以热线风速仪为测试手段，通过滑环进行信号动静转换，实现了旋转条件下的流场测试技术，并初步探索旋转条件下通道内的流动特性；同时，对所研究问题进行数值计算，与实验结果进行互补对比。实验段长250mm，通道为边长40mm方形通道，测点沿流向分两点X/D=2.5和X/D=4.5，测量工况对应Re=5000和Re=10000两组，Ro范围0~0.222。
结果表明：本实验旋转条件下的测试系统在大部分工况下的平均速度和湍流度的测量上满足误差要求，只在低湍流度测量时存在一定误差，误差主要来源于滑环旋转引入的动态电阻，通过理论推导给出了误差估计，同时通过实验数据对于理论误差分析进行了验证。本实验研究旋转径向出流通道流动，旋转使得前缘附近速度降低、边界层变厚、湍流度增大，同时后缘附近速度增大、边界层变薄、湍流度减小，同时主流速度型发生偏转，由前缘偏向后缘，最大速度点出现在靠近前缘附近，上述旋转效应随着无量纲距离X/D的增大而变得更加明显，此外，旋转对于边界附近流动的影响更加显著，而对于主流核心区域的流动相对小一些。最后CFD数值模拟结果与实验数据符合的较好，进一步验证了实验数据的可信度。