隨著對燃?xì)廨啓C(jī)性能的要求不斷提高,對透平葉片冷卻技術(shù)的要求也越來越高。氣膜冷卻是燃?xì)廨啓C(jī)的關(guān)鍵冷卻技術(shù)之一,采用氣膜冷卻技術(shù),一方面能夠降低葉片金屬溫度,另一方面由于冷氣出流和主流的摻混導(dǎo)致的摻混損失降低透平的氣動(dòng)性能,進(jìn)而影響整機(jī)效率。為了降低氣膜冷卻的摻混損失,需要在研究氣膜冷卻效果的同時(shí),對冷氣與主流的摻混過程和摻混機(jī)理進(jìn)行深入研究,發(fā)展具有良好適用性的摻混損失模型用來預(yù)測摻混損失。本文采用DES和SAS方法對平板模型氣膜冷卻進(jìn)行了非定常數(shù)值模擬研究。對氣膜孔下游速度場的頻域分析發(fā)現(xiàn),冷氣在氣膜孔出口會(huì)破碎成具有較高特征頻率的小尺度渦,這些小渦脫離氣膜孔出口后會(huì)相互融合,形成尺度稍大特征頻率稍低的渦。隨后大渦穩(wěn)定地向下游流動(dòng),并在與主流摻混不斷的摻混過程中逐漸耗散。根據(jù)渦結(jié)構(gòu)的變化,可以將氣膜冷卻的冷氣出流與主流的摻混過程分為“脫體-融合-耗散”3個(gè)階段,而氣膜冷卻的流場則可以對應(yīng)分為氣膜孔區(qū)、脫體區(qū)、融合區(qū)和發(fā)展耗散區(qū)四個(gè)區(qū)域。融合后的脫體渦即是腎形渦對的三維結(jié)構(gòu)。采用RANS方法對葉柵壓力面和吸力面氣膜冷卻進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。應(yīng)用熵產(chǎn)率對數(shù)值結(jié)果進(jìn)行了分析,驗(yàn)證了熵產(chǎn)率分析法... 

【文章來源】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院工程熱物理研究所)北京市

【文章頁數(shù)】：147 頁

【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

圖１．１透平葉片冷卻技術(shù)發(fā)展史ｉｎ??Ｆｉｇｕｒｅ?１．１?Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ?Ｈｉｓｔｏｒｙ?ｏｆ?Ｔｕｒｂｉｎｅ?Ｂｌａｄｅ?Ｃｏｏｌｉｎｇ?Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ??

透平葉片氣膜冷卻及冷氣出流摻混損失研究??標(biāo)。圖１．２給出了氣膜冷卻過程中各項(xiàng)參數(shù)的定義。其中，２＾和＼分別代表主??流氣體和冷氣出流氣體的速度，７；和Ｉ；分別代表主流氣體和冷氣出流氣體的溫??度。代表氣膜氣體的溫度，ｒｗ代表壁面的溫度。??上流??冷卻射流Ｇ，７；?Ｔ＇ｖ??圖１．２氣膜冷卻參數(shù)定義Ｗ??Ｆｉｇｕｒｅ?１．２?Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ?ｏｆ?Ｆｉｌｍ?Ｃｏｏｌｉｎｇ?Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ??由此將氣膜冷卻效果／７定義為，??（ｉ．ｉ）??Ｔｍ￣Ｔｃ??在實(shí)驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用中，氣膜氣體的溫度７｝難以與主流精確區(qū)分和測量，因而??采用壁面溫度７；代替氣膜氣體溫度７｝�？紤]到固體傳熱，壁面的實(shí)際溫度７；將??受到壁面材料的熱傳導(dǎo)率和葉片厚度等因素影響，所以在目前的氣膜冷卻研究中??通常使用絕熱壁面溫度７；ｗ。因而絕熱氣膜冷卻效果可以定義為

吹風(fēng)比定義為：??ＢＲ＝Ｐ＾ｃ＿?（１．３）??Ｐ，ｎＵｍ??式中和Ａｎ分別表示冷氣密度和主流密度。吹風(fēng)比表征了冷氣出流氣體密流??與主流氣體密流之比，是最早用于氣膜冷卻研宄的比參數(shù)。９０年代針對圓柱孔??進(jìn)行的大量研究［５］［６］［７］［８］顯示，單排圓柱孔的絕熱氣膜冷卻效果與吹風(fēng)比的大小有??關(guān)。小吹風(fēng)比時(shí)，氣膜冷卻效果隨著吹風(fēng)比增大而升高，當(dāng)吹風(fēng)比超過０．５以后，??氣膜冷卻效果逐漸下降。這主要是因?yàn)榇蟠碉L(fēng)比下，冷氣出流具有較高的動(dòng)量，??以一定的入射角度噴射后會(huì)穿透邊界層進(jìn)入主流，使壁面的氣膜覆蓋區(qū)域減小，??降低氣膜冷卻效果。在計(jì)算流體力學(xué)（ＣＦＤ）數(shù)值模擬的幫助下，進(jìn)一步認(rèn)識氣??膜冷卻的原理有了可能。Ｌｅｙｌｅｋ和Ｚｅｒｋｌｅ［９］通過比較數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，揭示??了氣膜冷氣出流的流動(dòng)細(xì)節(jié)，發(fā)現(xiàn)冷氣出流在進(jìn)入主流之后，會(huì)形成一對反向旋??轉(zhuǎn)渦對，又稱為腎形渦對。Ｆｒｉｃ和Ｒ〇ｓｈｉｋ〇？給出了腎形渦對的示意圖，如圖１．３??所示。高吹風(fēng)比下，反向旋轉(zhuǎn)渦對會(huì)將主流的高溫燃?xì)鈴耐鈧?cè)卷吸到冷氣出流下??方，因此會(huì)極大地降低氣膜冷卻效果。??Ｔ．?Ｆ．?Ｆｒｉｖ?ａｎｄ?Ａ．?Ｒｎｓｈｋｏ??

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]全氣膜冷卻葉片表面換熱系數(shù)和冷卻效率研究[J]. 張宗衛(wèi),朱惠人,劉聰,孟慶昆.  西安交通大學(xué)學(xué)報(bào). 2012(07)

博士論文
[1]透平葉柵環(huán)境下氣膜冷卻流動(dòng)傳熱機(jī)理研究[D]. 秦晏旻.清華大學(xué) 2015
[2]燃?xì)馔钙饺~片氣膜冷卻設(shè)計(jì)及多場耦合分析[D]. 王湛.中國科學(xué)院研究生院（工程熱物理研究所） 2012
[3]燃?xì)廨啓C(jī)透平氣膜冷卻機(jī)理的實(shí)驗(yàn)與理論研究[D]. 李佳.清華大學(xué) 2011



本文編號：3580914