等离子体气动激励对二维气膜等离子体气动激励对二维气膜冷却效果影响的机理

为了研究等离子体气动激励对二维气膜冷却效果的影响规律,基于等离子体气动激励唯象学模型,将等离子体气动激励对冷却气流的宏观作用等效为体积力,通过耦合求解体积力与 Navier??Stokes方程,得到了气膜冷却的流场和温度场特性。计算结果表明:气膜缝出口壁面附近冷流经过等离子体气动激励作用后,速度水平分量提高较大,竖直分量提高较小;随着吹风比的增大,气膜缝出口冷流的流量和动量增加,气膜冷却效率增加,但等离子体气动激励对冷却气流的影响减弱,气膜冷却效率增加量减小。施加等离子体气动激励后,在各吹风比下,随着气膜缝倾角的增加,气膜冷却效率逐渐降低;等离子体气动激励等效体积力大小对气膜冷却效果有较大影响,气膜冷却效率随体积力的增大先升高后降低,存在一个最佳等效体积力值。     

等离子体气动激励改善气膜冷却效率的数值研究

为了获得等离子体气动激励改善气膜冷却效率的机理及影响规律,采用数值模拟方法研究了等离子体气动激励电极相对位置x/L分别为0.3、0.4和0.5时不同吹风比下的流动过程和冷却效率的分布情况,并通过与常规气膜孔冷却结构形式进行的对比,以揭示等离子体气动激励改善气膜冷却效率的作用机理。研究表明:等离子体气动激励产生的等离子体流能诱导冷却气流偏转,使冷却气流更好地贴覆壁面,改善了气膜冷却效率;等离子体气动激励电极位置离气膜孔出口距离越近,等离子体流诱导改善气膜冷却效率的作用越好,并且随着吹风比的减小,其作用效果越明显。     

利用等离子体气动激励提高气膜冷却效果的数值研究

为揭示等离子体气动激励对气膜冷却效果的影响机理,采用数值模拟方法研究了不同吹风比下的冷却气流流场分布、垂直主流截面的局部速度矢量分布和温度分布情况,并与常规气膜冷却结果作对比。结果表明,等离子体气动激励能有效诱导冷却气流偏转,提高气膜贴壁效果,延缓主流和冷却气流的掺混,壁面冷却效果显著增大;在不同吹风比下,沿流动方向等离子体启动激励气膜冷却效率的变化趋势相同;在激励器表面处壁面温度略有增大,但不影响冷却效率的提高。     

SDBD等离子体激励对平板气膜冷却性能的影响

为了研究单介质阻挡放电（SDBD）等离子体激励对平板气膜冷却性能的影响,采用数值求解耦合等离子体电动激励力的Reynolds averaged Navier-Stokes（RANS）方程组的方法,利用已有的实验数据考核了等离子体线性化激励模型和数值求解方法的有效性,获得了6种归一化激励强度、5种归一化激励频率和3种吹风比条件下,存在SDBD等离子体激励时壁面的气膜冷却效率分布及其附近的流场结构,并与无等离子体激励的气膜冷却工况进行了对比。研究结果表明：与无SDBD等离子体激励时相比,施加SDBD等离子体激励显著提升了平板气膜冷却性能,抑制了气膜孔下游肾形涡对的发展,使近壁面流向速度梯度增大、流向速度峰值提升、冷气沿展向及流向的覆盖范围均扩大。当归一化激励强度由40增至140时,平板气膜冷却效率显著提高;当归一化激励强度为100时,中心线处及展向平均的气膜冷却效率的极值分别比无SDBD等离子体激励的工况提高了105%及200%。当归一化激励频率由1.25增至6.25时,平板气膜冷却效率也逐渐提升;与无SDBD等离子体激励的工况相比,当归一化激励频率为3.75时,中心线及展向平均气膜冷却效率极值分别提升了75%及100%。平板气膜冷却性能随吹风比的增大逐渐下降;当吹风比由0.5增至1.0时,壁面中心线及展向平均气膜冷却效率的极值分别降低了23.9%及49.2%。     

高主流湍流度下倾斜角对圆柱孔气膜冷却特性影响的实验研究

为了研究高湍流度下圆柱孔流向倾斜角对气膜冷却特性的影响,在主流湍流度为11.82%的工况下,采用瞬态热色液晶测量技术对倾斜角为30°、60°的气膜孔冷却特性进行了研究,并与低湍流度工况下的结果进行对比。实验结果表明:气膜孔倾斜角增大会导致气膜冷却效率下降;主流湍流度增大会提高上游冷却效率,降低下游冷却效率,冷却效率展向分布更加均匀。吹风比的增加导致各倾斜角气膜孔换热系数比显著增加,在小吹风比条件下,换热系数比沿流向时降低,而大吹风比条件下换热系数比呈现先上升后下降的分布;气膜孔倾斜角增大会在整体上强化壁面对流换热强度,主流湍流度增加导致换热系数比明显减小。随着吹风比的增加,下游区域的主流湍流度导致两种倾斜角气膜孔的冷却效率和换热系数比差距增大,在上游区域主流湍流度的影响较为复杂。     

出流孔型对平板气膜冷却影响机理的研究

为了研究不同孔型对平板气膜冷却的影响,针对圆形,扇形,水滴形,收敛缝形四种气膜出流孔型的流动和传热特性进行了数值模拟。研究结果表明,圆形孔、扇形孔和水滴形孔气膜出口下游出现从中心向上抬升的反向旋转涡对,将主流燃气卷吸进来；收敛缝形孔在侧向的扩张型面使得气膜出流在展向的覆盖更为均匀,这有效地阻止了高温气体的侵入；在相同吹风比下,收敛缝形孔在气膜出口附近区域的平均绝热冷却效率则明显要高于其余三种孔,随着吹风比的增大,这种差距越发明显；孔型对对流换热系数增强比的影响区域仅局限在邻近气膜孔出口大约7倍气膜孔径的范围内。      

主流湍流度对涡轮导叶压力面扩张型气膜孔冷却特性的影响

为了研究主流湍流度对涡轮导叶压力面扩张型气膜孔冷却特性的影响,在高亚声速风洞中进行了实验,通过热电偶测得了气膜孔排下游的气膜冷却效率和换热系数,叶栅进口雷诺数的范围为3.0×105～9.0×105,出口马赫数为0.8。两排单排扩张型气膜孔分别位于压力面25%和70%的相对弧长处,高低湍流度分别为14.7%和1.3%。实验结果表明:对于孔排1,随着吹风比的增大,气膜冷却效率在低湍流度时呈现先增后减的特征,而在高湍流度时单调提升;在相同吹风比时,主流湍流度升高增强了主流和冷气的掺混,加快了冷气的耗散从而降低了气膜冷却效率。对于孔排2,主流湍流度升高在小吹风比时使气膜冷却效率降低,而在大吹风比时抑制了冷气脱离壁面从而提高了气膜冷却效率。吹风比增大显著增强了孔排1下游的换热,而对孔排2影响较小;主流湍流度升高显著提高了孔排1和孔排2下游的换热系数比。整体来看,主流湍流度升高降低了孔排1和孔排2下游的气膜冷却效果。     

吹风比对平板气膜冷却效率影响的数值模拟

 为了揭示吹风比M对气膜冷却效果的影响规律,在M=0.5,1.0,1.5,2.0工况下对平板气膜冷却圆柱孔模型和扩散孔模型进行了流动和传热的数值模拟对比研究。计算时基于控制容积法对三维定常不可压缩N-S方程进行离散,采用SIMPLEC算法,湍流模型选取可实现k-ε着模型,壁面函数采用增强壁面函数,分析比较了壁面温度分布、速度矢量和气膜冷却效率。结果表明,随吹风比增大,射流容易脱离壁面。在孔口附近区域,对圆孔而言吹风比对冷却效率的影响不明显,而对扩散孔冷却效率随吹风比增加而提高。在射流向下游发展过程中,就扩散孔而言较大的吹风比使得射流沿流向的覆盖区域增大;就圆孔而言较大的吹风比射流出现了回流,近下游位置处的冷却效率提高而远下游处的冷却效率降低。由此可见,针对不同的孔型,冷却效率随吹风比的变化规律不尽相同,圆孔的冷却效率不随吹风比单调变化,扩散孔的冷却效率随吹风比的增加而提高。     

缝槽入口形状对气膜冷却性能的影响

通过对直缝槽、渐缩型和渐扩型缝槽的气膜冷却进行数值计算分析,获得了缝槽入口形状对气膜冷却性能的影响.首先采用基于k-ω的剪应力输运湍流模型（SST）和雷诺应力输运模型（RSTM）对缝槽气膜冷却进行了计算,并与文献数据进行了比较,验证了在相同网格质量条件下SST湍流模型能更准确地模拟缝槽气膜冷却中的流动和传热特征.在此基础上,对具有45°喷射角和具有相同缝槽出口截面积的直缝槽、渐缩型和渐扩型缝槽在不同吹风比条件下的气膜冷却效率进行了比较.数值计算结果表明,缝槽的入口几何形状对气膜冷却性能有重要影响,直缝槽的气膜冷却性能优于渐缩缝槽和渐扩缝槽;根据吹风比M=4时二次流出口附近的温度场、流线图和湍流动能分布,探讨了渐缩缝槽和渐扩缝槽冷却效率降低的原因.最后给出了M=4时缝槽出口附近的静压扰动,从机理上阐述了二次流出口后部涡形成的原因.     

透平静叶前缘和压力面气膜冷却实验研究

采用压敏漆(PSP)实验技术测量某F级重型燃气轮机第一级透平静叶前缘和压力面的气膜冷却效率及叶片表面压力分布,初步检验静叶前缘和压力面的整体气膜冷却效果,探讨吹风比、密度比和供气方式等参数对前缘及压力面气膜冷却特性的影响。结果表明:前缘气膜孔采用交错布置,气膜冷却效率分布相对均匀,同时部分未被完全掺混的冷气在下游压力面产生气膜覆盖,随着吹风比增大,前缘冷却喷射在压力面的气膜覆盖范围增大且强度增强,由于受到叶栅通道涡的影响,气膜覆盖区域往下游向中间聚拢,形成气膜三角区;压力面逐排供气意在探讨各排孔在不同吹风比和密度比条件下的基本冷却特性,成型孔的布置使得冷却效率由吹风比主导,各排孔的气膜冷却效率随着吹风比增大而增大;相比于逐排供气,多排孔连供更接近于燃气轮机的真实运行环境,表征了各排孔相互干涉条件下的整体气膜冷却效率分布,多排联供使得冷气在下游逐渐形成累积,近尾缘区域之后表现得尤为明显,同时气膜冷却效率的累积特性基本符合"Shettle superposition"规律。     

等离子体气动激励改善低速叶栅性能数值仿真

针对低速条件下等离子体气动激励抑制压气机叶栅吸力面流动分离进行研究.将表面介质阻挡放电等离子体气动激励对流场的作用等效为体积力和热的作用,并考虑等离子体温升对流体热物理性质的影响,建立了等离子体气动激励的数学模型.通过求解电势和电荷方程得到等离子体气动激励诱导的体积力和热功率密度分布函数,通过实验数据拟合得到物性参数函数,分别作为方程源项和系数加入到Navier-Stokes方程中求解.应用模型研究了等离子体激励在不同来流速度、攻角和激励强度下对压气机叶栅性能的影响.数值仿真结果表明:在马赫数为0.05、攻角为2°的情况下,施加等离子体激励后,分离点由65.09％弦长处后移到79.4％弦长,气流转折角增加0.8°,最大总压损失系数减小了7.4％,尾迹宽度减小了12％.来流速度增大激励效果会减弱,来流攻角的改变对激励效果有影响,激励强度增大对流动分离的抑制效果有明显改善.     

扇形气膜孔几何参数对气膜冷却效率的影响

气膜冷却技术广泛应用于航空发动机火焰筒、涡轮叶片等热端部件的冷却。与常规圆柱形气膜孔相比,扇形气膜孔冷却效率更高。为更全面地掌握在典型大涵道比商用航空发动机燃烧室火焰筒工作环境下扇形气膜孔气膜冷却效率随几何参数和吹风比的变化规律,采用数值模拟方法研究了扇形气膜孔的流动和换热,分析并讨论了气膜孔板厚度、气膜孔出口宽度、气膜孔入口圆柱段长度、气膜孔倾斜角以及吹风比对扇形气膜孔下游流场和热侧面气膜冷却效率分布的影响。结果表明：在小吹风比条件下,几何参数的变化对冷却效率影响很小;而当吹风比较大时,冷却效率随几何参数的变化规律可能受其他几何参数的交叉影响;几何参数的变化将诱发不同的卵形涡结构,从而对气膜孔下游的冷却效率分布造成较大的影响。     

涡轮叶片双排气膜冷却效率叠加计算准确性研究

为进一步了解涡轮叶片上多排气膜间的流动及换热规律,选取对气膜冷却效率有影响的3种典型因素(叶片型面、吹风比、孔排方式)进行了实验及数值计算研究,验证了涡轮叶片气膜冷却效率叠加计算的适用性。结果表明:由于叶片型面曲率的存在,叶片吸力面为凸面气膜更容易吹脱,气膜孔后冷却效率叠加计算误差约为5%;叶片压力面为凹面气膜被压向壁面,前后排气膜间影响较大,叠加计算值比实验值约高13%。孔排排布方式对叠加计算结果同样有影响,叉排结构中气膜间呈现"块状叠加"现象,叠加计算值与实验值相比误差在5%以内。顺排结构中气膜呈现"层状叠加"现象,计算结果偏高,误差在10%左右。吹风比对冷却效率叠加计算准确性有较大影响,低吹风比时叠加计算较准确,随着吹风比增加叠加误差逐渐增大。针对叠加计算误差较大的工况,本文提出了相应的计算修正公式。     

介质阻挡放电涡发生器等离子体激励条件下壁面气膜冷却性能研究

采用数值方法研究了介质阻挡放电涡发生器(DBD-VGs)等离子体激励条件下的壁面气膜冷却特性,分析了不同归一化激励强度与归一化激励频率条件下壁面附近的流场结构及冷却性能,获得了DBD-VGs等离子体激励对壁面附近冷、热气流运动的影响机制。研究发现:DBD-VGs等离子体激励有利于诱导冷却孔下游壁面附近流场形成反肾形涡对,抑制原有肾形涡对结构的发展,进而减少近壁面冷气的抬升,改善壁面气膜冷却性能。当归一化激励强度从20提升至50、激励频率从0.625提升至2.5时,冷却孔下游壁面与冷气的展向接触范围逐渐扩展,壁面气膜冷却性能明显增强。当归一化激励强度从0提升至40时,壁面中线与展向平均的气膜冷却效率极值分别增大了60%及420%;当归一化激励频率从0提升至1.25时,壁面中线和展向平均的气膜冷却效率极值分别增大了50%及286.7%。与单介质阻挡放电(SDBD)等离子体激励相比,DBD-VGs等离子体激励可在较低的激励参数下获得较高的展向平均气膜冷却效率;在相同激励参数下,DBD-VGs等离子体激励使冷却孔下游壁面与冷气展向接触程度的提升效果更为显著。     

造型凹坑孔深度及张角对壁面气膜冷却性能的影响

采用数值方法研究了不同吹风比条件下造型凹坑孔深度及张角对壁面气膜冷却性能的影响,并与常规圆孔进行了对比。研究结果表明:随着凹坑深度的增加,冷却射流沿展向的动量降低,沿周向的动量增大,在壁面的覆盖范围扩展、抬升位置延后,气膜冷却性能得到提升,且提升幅度随吹风比的增加而增大;相比于常规圆孔,最优深度造型凹坑孔(d=2.3D,M=1.5)平均气膜冷却效率在冷却孔下游X/D3区域提高了近500%,在3X/D10区域提高了600%;随着造型凹坑张角的增大,冷却流体在轴向及周向的覆盖范围扩大,附壁性增强,肾形涡的强度及尺度均减小,高温主流与冷却流体的掺混得到抑制,壁面气膜冷却效率明显提高;相比于常规圆孔,张角30°的造型凹坑孔平均气膜冷却效率在3X/D10区域提高了近440%。     

燃气轮机动叶气膜冷却效果评价方法的改进

为了更全面地对气膜冷却叶片的整体冷却效果进行评价,以气膜冷却效率评价指标为出发点,引入平均冷却效率和不均匀度系数2个新的评价指标,应用FLUENT软件对某型大功率燃气轮机第一级动叶在不同工况下进行了数值模拟计算,用新定义的评价指标对叶片冷却效果进行了分析。研究结果表明,冷却效率评价指标对单孔或放大的模型能够有效地表达气膜冷却效果的好坏,但其局限性是不能定量地反映气膜冷却效果的均匀性,从而使得气膜冷却效果整体评价不全面。通过平均气膜冷却效率值和不均匀系数值分布规律发现,同一吹风比条件下,随着孔间距的增大,冷气覆盖程度变差,平均气膜冷却效率值降低,且不均匀系数不断增大,叶片压力面冷气分布越不均匀;受孔排冷气的动量叠加效应影响,叶片后缘冷气覆盖程度好,冷却效率明显高于前缘;在相同孔间距条件下,随着吹风比的增大,叶片压力面平均气膜冷却效率增大,不均匀系数值不断减小,叶片压力面冷却气体分布越均匀。     

不同时间尺度等离子体气动激励特性的测试诊断

为了揭示ns脉冲等离子体气动激励与流场附面层耦合作用机制,提高等离子体气动激励控制附面层的能力,对不同时间尺度的等离子体气动激励的放电特性和体积力等进行了测试诊断。实验结果表明:ms、μs、ns脉冲放电的放电电压相差不大,但ns脉冲的最大放电电流明显高于ms和μs脉冲,最高可达到4 A;激励电压越大,等离子体气动激励诱导体积力越大;ms、μs脉冲等离子体气动激励诱导体积力水平方向分量较大,ns脉冲水平方向体积力近似为零;ns脉冲垂直方向体积力不为零,与ms和μs脉冲相差较小。     

平板冲击发散冷却流动与换热特性的数值模拟

采用ANSYS-CFX商用软件对模化平板冲击发散冷却结构中的流动与换热特性进行了数值模拟,对比了有、无固体域时冲击发散冷却的冷却效率,分析了不同吹风比时气体的流动结构、涡强度、综合冷却效率和流动效率的变化,分析了固体导热系数对冷却效率的影响。结果表明:冲击发散冷却同时具有冲击冷却和气膜冷却的优点,可以有效保护壁面;当吹风比增大时,冲击冷却的效果增强,肾型涡强度增大,气膜冷却效果减弱,但冲击冷却的影响优于气膜冷却,所以其综合冷却效率仍然提高了;气膜冷却部分有最大的局部压力损失系数,当吹风比增大时,总压力损失系数增大,流动效率下降;当固体导热系数增大时,冲击冷却的影响增大,综合冷却效率提高。该结果可为进一步冷却燃气轮机内工作部件提供参考。     

吹风比和湿空气含湿量对平板气膜冷却流动与传热特性的影响

为进一步分析出湿空气作为冷却工质时气膜冷却相对于干空气气膜冷却的差异，分别通过实验与数值方法，探究了吹风比和湿空气含湿量对平板气膜冷却的影响。在实验研究中，采用红外热像仪测量靶面温度，对比分析了不同含湿量与吹风比下平板气膜冷却性能变化规律，从而得到气膜冷却效率关于吹风比与含湿量的变化关系。在数值研究中，建立了具有单个气膜孔、周期性边界条件的气膜冷却模型，利用ANSYS CFX软件数值分析了高温高压条件下的不同吹风比，不同湿空气含湿量条件下的流动与传热特性。结果表明：在实验条件下，当吹风比为0.7时，靶面冷却效率随含湿量的增加而增加；当含湿量为188.9 g/kg时，湿空气相对于干空气的靶面平均冷却效率增加量最高，约为4.8%。数值分析结果和实验吻合较好。进一步的数值分析表明，当吹风比为0.7时，气膜冷却效果最好，且吹风比处于0.3～0.7之间时，靶面的气膜冷却效果均随着含湿量的增加而增加，当吹风比大于0.7时的规律则相反。基于实验结果与数值结果拟合出靶面平均气膜冷却效率关于吹风比和含湿量的关联式，实验值和数值结果与关联式的相对误差均小于±2%。     

吹风比和偏角对交叉孔气膜冷却特性的影响

为了揭示吹风比和偏角对交叉孔气膜冷却的影响,通过改变吹风比及交叉孔的偏角,利用数值模拟的技术,进行气膜冷却特性研究。湍流模型选择k-ε模型,壁面函数采用增强壁面函数。结果表明:①随着吹风比的增大,涡旋中心与壁面间距增大,反肾涡旋对的影响范围变大,这使气膜的覆盖面积增大,同时气膜的贴壁性变差;吹风比为1.5时显示了较好的冷却效果;②随着偏角的增大,反肾涡旋对间距加大,这使气膜的覆盖面积增大,同时也导致气膜在下游的分离提前;偏角25度显示了较好的冷却效果。