發(fā)布時間：2020-09-29 06:59

　　 氣膜冷卻是現(xiàn)代高性能燃?xì)鉁u輪熱端部件的重要冷卻方式,隨著航空發(fā)動機性能要求的不斷提高,未來渦輪前燃?xì)鉁囟葘⑦_(dá)到2300K以上,傳統(tǒng)氣膜冷卻技術(shù)已不能滿足未來熱端部件的冷卻需求,亟需探索新型、高效的氣膜冷卻技術(shù)。對于氣膜冷卻而言,如何減小氣膜冷卻射流穿入高溫燃?xì)獾纳疃纫约霸鰪娎鋮s流體沿流向和展向的覆蓋能力是提高冷卻效率的關(guān)鍵科學(xué)問題。作為一種新型主動流動控制技術(shù),介質(zhì)阻擋放電(Dielectric barrier discharge,簡稱DBD)等離子體流動控制技術(shù)近年來呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的新態(tài)勢,為進(jìn)一步提高氣膜冷卻效率提供了新概念和新思路。本文結(jié)合DBD等離子體激勵器的放電特性和實驗數(shù)據(jù),建立了DBD等離子體氣動激勵唯象學(xué)模型并驗證了其準(zhǔn)確性,首先采用大渦模擬方法開展了條形電極等離子體激勵器氣動激勵下平板圓孔氣膜冷卻流動特性的基礎(chǔ)研究,歸納了不同幾何參數(shù)和氣動參數(shù)條件下等離子體氣動激勵對冷卻射流出口速度分布、射流軌跡以及下游湍流場的影響規(guī)律,展示了等離子體氣動激勵前后氣膜冷卻流場的流動圖畫,揭示了條形電極激勵器氣動激勵提高氣膜冷卻效率的物理機制,并以此為基礎(chǔ)進(jìn)一步研究了條形電極激勵器沿展向布置時對氣膜冷卻特性的影響。研究結(jié)果表明,條形電極激勵器沿流向布置時產(chǎn)生的下拉誘導(dǎo)和流向動量注入效應(yīng)占主導(dǎo),在此作用下冷卻流體更加貼近壁面且加速向下游流動,氣膜冷卻流場內(nèi)相干結(jié)構(gòu)的尺度減小并提早破裂成小尺度湍流結(jié)構(gòu),抑制了冷卻射流遠(yuǎn)離壁面的趨勢。條形電極激勵器沿展向布置時產(chǎn)生的展向動量注入效應(yīng)則占主導(dǎo),提高了冷卻流體的展向擴(kuò)張能力且誘導(dǎo)產(chǎn)生與腎形渦對旋轉(zhuǎn)方向相反的流向渦對,從而拓寬了冷卻氣膜的展向覆蓋范圍。在上述研究基礎(chǔ)上,提出了兼具流向和展向誘導(dǎo)能力的鋸齒電極等離子體激勵器,首先研究了鋸齒電極激勵器沿展向不同敷設(shè)位置對平板圓孔氣膜冷卻流動特性的影響,發(fā)現(xiàn)鋸齒電極齒尖位于氣膜孔中心線上時誘導(dǎo)的流向渦對與腎形渦對的旋轉(zhuǎn)方向相反,而且其產(chǎn)生的展向擴(kuò)散效應(yīng)促使冷卻流體向兩側(cè)擴(kuò)張流動,使得冷卻氣膜沿流動方向呈發(fā)散狀,而鋸齒電極齒根位于氣膜孔中心線上時則產(chǎn)生與腎形渦對方向相同的流向渦對,并誘導(dǎo)高溫主流侵入冷卻射流兩側(cè)區(qū)域,導(dǎo)致冷卻氣膜沿流動方向呈聚斂狀。其次,系統(tǒng)研究了鋸齒電極激勵器對平板圓形孔和扇形孔氣膜冷卻流動和氣動損失的影響,探索了鋸齒電極激勵器氣動激勵前后氣膜冷卻流場內(nèi)湍流相干運動和發(fā)展的特點及其空間相關(guān)和譜分析,運用損失分離方法和熵產(chǎn)分析法研究了鋸齒電極激勵器氣動激勵對氣膜冷卻氣動損失的影響,揭示了鋸齒電極激勵器氣動激勵、冷卻射流和高溫主流間相互作用的獨特物理特征。研究結(jié)果表明,鋸齒電極激勵器與扇形孔相結(jié)合能夠顯著提高氣膜冷卻效率,氣膜冷卻流場內(nèi)相干結(jié)構(gòu)的尺度明顯減小并提前破裂成小尺度的近壁條帶結(jié)構(gòu),而且二階脈動速度空間相關(guān)函數(shù)和波譜函數(shù)從物理空間和波數(shù)空間上也證實了鋸齒電極激勵器氣動激勵后氣膜冷卻流場內(nèi)相干結(jié)構(gòu)的尺度減小、組織性增強,同時其誘導(dǎo)產(chǎn)生的流向渦對也增強了冷卻流體在展向上的湍流輸運能力。鋸齒電極激勵器氣動激勵后氣膜孔下游的摻混損失顯著減小,尤其是扇形孔下游橫截面上的摻混損失由“單峰”分布發(fā)展成“雙峰”分布,氣膜冷卻引起的熵增也顯著減少。在本文所研究吹風(fēng)比條件下鋸齒電極激勵器氣動激勵均使氣膜冷卻效率和氣動損失分別得到不同程度的提升和降低。最后,為評估DBD等離子體激勵器應(yīng)用于真實渦輪氣膜冷卻的性能,運用大渦模擬方法研究了等離子體氣動激勵對C3X型渦輪導(dǎo)葉壓力面上氣膜冷卻特性的影響,展示了等離子體氣動激勵前后流場內(nèi)旋渦結(jié)構(gòu)和湍流相干結(jié)構(gòu)的時空演化形態(tài),揭示了條形電極和鋸齒電極等離子體激勵器強化壓力面上氣膜冷卻效果的機理,系統(tǒng)分析了鋸齒電極激勵器與扇形孔相結(jié)合對壓力面上氣膜冷卻流動特性的影響。研究結(jié)果表明,由于主流流速較高和壓力面上順壓梯度的影響,氣膜孔下游的腎形渦對沿壁面流向被拉伸至較遠(yuǎn)的距離,隨后其末端率先破裂成離散的相干結(jié)構(gòu),鋸齒電極激勵器氣動激勵后扇形孔冷卻射流的吹離現(xiàn)象消失,氣膜冷卻流場內(nèi)相干結(jié)構(gòu)的尺度減小、間歇性減弱,從而增強了冷卻氣膜的連續(xù)性和均勻性,沿程的氣膜冷卻效率得到提高。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TK471
【部分圖文】：

圖 1-1 航空發(fā)動機渦輪前溫度與金屬耐熱溫度的發(fā)展趨勢[4]Fig. 1-1 Development of the temperature ofturbine inlet and material melting[4]圖 1-2 渦輪葉片冷卻技術(shù)的發(fā)展歷程[6]Fig. 1-2 The development of the coolingtechnique in modern gas turbine[6]從葉片表面離散孔噴出的冷卻射流與高溫燃?xì)庀嗷プ饔迷跉饽た赘浇捌湎掠萎a(chǎn)生的復(fù)雜渦系結(jié)構(gòu)決定了冷、熱流體之間的摻混過程，從而影響氣膜

圖 1-1 航空發(fā)動機渦輪前溫度與金屬耐熱溫度的發(fā)展趨勢[4]Fig. 1-1 Development of the temperature ofturbine inlet and material melting[4]圖 1-2 渦輪葉片冷卻技術(shù)的發(fā)展歷程[6]Fig. 1-2 The development of the coolingtechnique in modern gas turbine[6]從葉片表面離散孔噴出的冷卻射流與高溫燃?xì)庀嗷プ饔迷跉饽た赘浇捌湎掠萎a(chǎn)生的復(fù)雜渦系結(jié)構(gòu)決定了冷、熱流體之間的摻混過程，從而影響氣膜

圖 1-3 氣膜冷卻基本物理模型[15]Fig.1-3 The basic physical model of the film cooling[15]用吹風(fēng)比表征氣膜冷卻射流的強度，其定義如下：c cM u u 關(guān)氣膜冷卻的研究，主要以絕熱模型為研究對象，不考

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2829394