题目：旋转蛇形通道内冷气流动与换热机理研究

在现代航空发动机中，增加涡轮前温度是提高推重比的有效途径。但是，随着涡轮叶片热负荷的增加，其可靠性和工作寿命都将大幅度下降。为保障工作叶片安全可靠的工作，必须采取有效的冷却措施。本文将某发动机涡轮叶片内冷系统中的蛇形通道简化为方截面蛇形通道。通过对旋转通道流动与换热控制方程的无量纲化分析和参考发动机原型的工作参数，确定了实验模型的尺寸和实验参数。建立了实验台，用实验方法研究了光滑及带肋蛇形通道的换热特性，其中四种带肋通道的肋片结构分别为：前后缘对称直肋、前后缘交错直肋、前后缘非对称直肋、前后缘交错断V形肋。针对旋转内冷通道的特点，提出了在通道内壁采用非对称换热结构的优化设计思想，并在相关实验中进行了验证。数值模拟了旋转光滑和带肋通道的流动与换热。通过与实验数据的对比，校验了计算湍流模型，分析了哥氏力和浮升力诱发的二次流及其对通道内流场和温度场分布的影响，揭示了旋转附加力的基本作用机理。在此基础之上，重点探讨了哥氏力、浮升力与肋片二次流之间交互作用及其对换热的影响。研究结果表明：1）哥氏力与离心浮升力的综合作用使得径向出流通道和径向入流通道呈现出不同的流动和换热特性。在径向出流通道中，哥氏力推动主流型向后缘偏移，而离心浮升力则使得主流型的偏移进一步加剧；在径向入流通道中，哥氏力推动主流型向前缘偏移，但浮升力则使得主流型更加平缓。2）离心浮升力对流动与换热的影响与哥氏力场的分布密切相关。对于径向出流通道，当哥氏力的强度较弱或哥氏力二次流未充分发展时，浮升力有削弱换热的作用。当哥氏力的影响较强或哥氏力二次流充分发展时，浮升力又将导致换热增强。3）在径向出流直肋通道中，哥氏力增大了前缘的肋后涡长度，减小了后缘的肋后涡长度。在高旋转数下，径向出流通道的整体的换热水平受后缘肋片结构影响显著；前缘肋片结构对通道流动和换热的影响仅限于其近壁区域。4）在前后缘断V肋通道中，肋片诱发的截面二次流与哥氏力诱发的截面二次流具有相似的双涡结构。肋片二次流使得通道各带肋面换热产生了巨大的差异。当旋转诱发的哥氏力对二次流的作用方式与肋片对二次流的作用方式相向时，通道换热受旋转数的影响很小；当两者相反时，通道换热受旋转数影响显著。5）从换热的角度看，前后缘非对称布局的交错断V肋通道明显优于传统的对称直肋通道。