【摘要】：氣膜冷卻性能的提高對(duì)航空燃?xì)鉁u輪熱端部件綜合冷卻效果的提升具有主導(dǎo)作用。淺槽型氣膜孔可以利用熱障涂層的涂覆過(guò)程制備而成,相對(duì)于其他異型孔更易于實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用;淺槽結(jié)構(gòu)中還可以集成扇型或復(fù)合角噴吹等形狀相對(duì)簡(jiǎn)單的氣膜孔型,具有進(jìn)一步提升冷卻能力的潛力�；诖�,本文針對(duì)平板橫向槽、鋸齒槽及橢圓槽孔氣膜冷卻特性展開(kāi)規(guī)律性和優(yōu)化研究,具體研究?jī)?nèi)容如下:搭建了平板淺槽孔氣膜冷卻實(shí)驗(yàn)臺(tái),利用紅外熱成像技術(shù)展開(kāi)典型工況下的淺槽孔氣膜冷卻效率測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,圓形孔只在低吹風(fēng)比下有較高的冷卻效率,隨著吹風(fēng)比的增加,冷卻性能不斷降低;淺槽孔相較于圓形孔,冷卻效果均有不同程度的提升,且吹風(fēng)比越高,提升效果越明顯;三種淺槽結(jié)構(gòu)中,鋸齒槽由于槽彎角的導(dǎo)流作用,氣膜覆蓋性能最好,橫向槽次之,橢圓槽氣膜冷卻效率明顯低于鋸齒槽和橫向槽。在此基礎(chǔ)上,以實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑榛鶞?zhǔn),建立了淺槽孔氣膜冷卻數(shù)值計(jì)算模型,并對(duì)不同湍流模型進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)Relizable k-ε模型配合增強(qiáng)型壁面函數(shù)計(jì)算精度最高;同時(shí)為了更好的與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì),研究了氣膜孔板導(dǎo)熱效應(yīng)對(duì)整體冷卻效果的影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)小于0.4W/(m·K)時(shí),導(dǎo)熱效應(yīng)對(duì)冷卻效率的影響可以忽略。針對(duì)平板淺槽孔氣膜冷卻進(jìn)行了變工況數(shù)值計(jì)算研究,分析了熱力參數(shù)和淺槽結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)淺槽孔氣膜冷卻效率和流量系數(shù)的具體影響規(guī)律。對(duì)于橫向槽,隨著吹風(fēng)比的增加,冷卻效率呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢(shì),0.75d(d為氣膜孔徑)的槽深所對(duì)應(yīng)的最佳吹風(fēng)比為1;隨著槽深度的增加和槽寬度的減少,氣膜冷卻效率不斷提高。對(duì)于鋸齒槽,0.75d槽深時(shí)所對(duì)應(yīng)的最佳吹風(fēng)比為1.5,槽深度的增加和槽彎角的減少都能提升氣膜冷卻效果,在本研究中,槽寬度對(duì)氣膜冷卻效率影響不明顯。對(duì)于橢圓槽,存在一最佳面積比(橢圓槽出口面積/圓孔面積),偏離該面積比越大,冷卻效率越低。對(duì)于三種淺槽孔,流量系數(shù)均隨吹風(fēng)比的增加而呈現(xiàn)先增加后穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。與圓形孔相比,淺槽孔流量系數(shù)均有不同程度的提高。發(fā)展了一種耦合支持向量機(jī)和遺傳算法的淺槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法,以支持向量機(jī)作為代理模型,引入遺傳算法進(jìn)行全局尋優(yōu)。針對(duì)0.8和1.6吹風(fēng)比下的平板鋸齒槽進(jìn)行了優(yōu)化,以槽深、槽寬和槽彎角作為設(shè)計(jì)變量,選取面平均絕熱冷卻效率為目標(biāo)函數(shù)。通過(guò)優(yōu)化,低吹風(fēng)比工況下面平均冷卻效率相較于初始結(jié)構(gòu)提升了8.75%,高吹風(fēng)比工況下的冷卻效率提升了70.5%;優(yōu)化后氣膜孔下游腎型渦對(duì)被削弱,反腎型渦對(duì)被加強(qiáng)。優(yōu)化結(jié)果表明了支持向量機(jī)代理模型和遺傳算法在氣膜冷卻結(jié)構(gòu)優(yōu)化的有效性。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：V235.1
【圖文】：

冷卻能力

渦輪進(jìn)口溫度變化趨勢(shì)

氣膜冷卻示意圖

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