● 摘要
气膜冷却是现代涡轮叶片中最有效的冷却方式之一，对其进行持续而深入的研究是提高发动机性能的重要途径。当前，国内外对气膜的研究基本局限于静止状态，对于旋转状态下气膜冷却的研究甚少。静止状态与真实的应用环境不相符合，使得静止状态下得到的实验规律有很大的局限性，因此研究旋转状态下气膜冷却有着重要意义。本论文将采用实验研究和CFD数值模拟两种方法对旋转状态下的弯曲表面的气膜冷却进行研究，重点研究吹风比、雷诺数、旋转数等因素对气膜冷却效率的影响，积累必要的基础性研究数据。 通过改进已有的旋转外换热实验台，对各因素对气膜冷却效率的影响规律进行了系统的实验研究。实验结果表明吹风比对冷却效率影响明显，不同的曲面和不同的冷却工质，对应不同的最佳吹风比；主流雷诺数对凹表面的影响更明显；旋转会造成气膜轨迹的偏转，随着旋转数的增大，轨迹偏转越明显，并且凸表面的偏转程度高于凹表面。对凸表面而言，旋转数越大，冷却效率逐渐减小，而凹表面而言，小吹风比下，冷却效率是先增加后减小的；而大吹风比下，冷却效率随着旋转数的增加而增大。通过对实验工况的数值模拟，采用SST和K-W两种不同湍流模型的计算，并与实验结果进行计较。结果表明两种湍流模型能够和实验结果取得较好的一致性，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。