● 摘要
气膜冷却技术作为航空发动机高温部件的主要冷却方式之一，在有效降低涡轮叶片表面温度和热应力方面发挥着重要作用。在当今燃气轮机发展中涡轮前进口总温T3*逐年提高的情况下，深入研究旋转状态下气膜冷却现象的掺混机理对于提高发动机整体循环效率有着重要的意义。不同于静止状态下气膜冷却特性的研究方法，由于对测试设备要求高，难度大，旋转态气膜冷却现象的掺混机制在实验研究上存在极大的挑战；在该研究领域国际上也仅从本世纪初开始才有少量相关成果得到报道。为了深入理解旋转状态下气膜冷却现象中二次流与高温主燃气的掺混机制，本文特从机理研究的角度出发，采用理论分析、实验研究和数值模拟三种方法对旋转态平板叶片模型上单孔气膜冷却现象中冷气出流的偏转趋势和单排射流孔后气膜冷却的掺混现象进行研究，进一步丰富扩展气膜冷却现象的机理研究范畴，并且对旋转态气膜冷却现象的数值计算工作提供详实的实验数据。出于旋转状态下气膜冷却现象的特殊行为，本文工作中将经典的边界层理论引入气膜冷却流动控制方程组并进行合理的简化推导，得到了用于描述冷气出流后流动形态的边界层控制方程。研究表明，二次流从气膜孔出流后主要受到四项控制力的作用：压力梯度、粘性力、离心力与哥氏力。在叶片模型的吸力面侧，离心力与哥氏力对冷气流动的作用方向相同，均指向高半径位置，从而驱使冷气出流向高半径方向流动。在叶片模型的压力面侧，哥氏力与离心力的作用方向相反，将削弱离心力对冷气出流的作用，并驱动冷气出流向低半径位置流动。在一定条件下，可以产生气膜轨迹的低半径偏转现象。对此，经过控制方程的进一步简化，本文提出了用于描述压力面侧冷气出流后偏转方向的无量纲准则——偏转数Dn，并对此进行了实验验证和数值模拟。实验结果表明，当前偏转理论可以在一定程度上对压力面侧气膜轨迹的偏转趋势做出判断，并为叶片表面气膜孔的开孔方向提供参考依据，具有较为重要的理论和工程实用价值。数值计算结果表明，计算程序对主流低速流动时的气膜冷却现象和叶型表面气膜轨迹低半径偏转现象的模拟与当前理论相吻合，但由于湍流模型的模化作用和对旋转状态下非惯性力对冷气出流作用程度的预测缺乏足够精度，主流高速流动情况下气膜轨迹偏转趋势的计算预测中所得结果与实验存在差别。针对当前气膜冷却研究中缺乏对冷却效果的统一评价体系问题，本文提出了用于评价气膜冷却整体效果的单一指标——有效面积比EAR和气膜覆盖率CR。EAR指标表示了单位出流面积情况下冷气所能提供的最大有效冷却面积，可以将壁面冷却效果量化并加以比较，从而对不同流动状态和气膜孔构型情况下气膜冷却效果的评判提供了依据。本文同时对平板叶片模型表面单排孔气膜冷却现象中二次流与主流的掺混机理进行了深入探讨。实验结果表明，吹风比、旋转数、主流雷诺数和冷气对主流密度比等参数的变化对旋转状态下气膜冷却掺混现象存在不同影响。吹风比决定了冷气出流与主流掺混的流动形态，随着吹风比的增大，二次流出流经历了附壁流动、分离流动和分离再附壁流动三种形态。在旋转数逐渐增大的过程中，壁面冷却效率呈现先上升后下降趋势，同时吹风比的控制作用有所弱化。由于离心力与哥氏力对二次流作用方向的不同，压力面侧整体冷却效果要优于吸力面侧。主流雷诺数的增大对壁面冷却效率的影响不大，冷气对主流密度比的增大则可以提高壁面冷却效率，改善整体冷却效果。与当前实验内容相对应的数值计算结果表明，所选用的各种湍流模型在各气膜孔间冷气出流展向掺混现象的描述中均缺乏足够精度，但在远下游位置上计算得到的冷却效率与实验值吻合良好。总体上讲，计算得到的旋转状态下壁面冷却效率的变化规律与实验结果相一致，但在后续数值模拟工作中，计算程序在旋转非惯性力所引起的冷气偏转趋势的预测程度上需要得到改进，且对近壁区域湍流模型各项同性的特点应加以修正，以得到更为准确的计算结果。在上述工作的基础上，本文对旋转状态下交错孔排气膜冷却现象的掺混机理和各气膜孔流量系数的分配规律进行了数值探讨。计算考察了不同流动参数下气膜冷却效率和换热系数的变化规律，所得结果进一步丰富了旋转状态下气膜冷却现象的机理研究。
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