突片作用下气膜冷却的实验与数值研究

论文摘要

气膜冷却广泛应用于燃气轮机涡轮发动机热端部件的冷却中。但随着发动机热端部件的工作环境愈加恶劣,传统的气膜冷却方法已经不能满足热端部件冷却的需要。突片作用下的气膜冷却是一种新型的冷却方法,能够有效提高气膜冷却效果。本文设计了三角形、梯形和椭圆形三种不同结构的突片,搭建了实验台,采用红外摄像仪测量气膜冷却壁面温度,获得了突片对气膜冷却效率、对流换热系数以及流量系数的影响规律,同时,采用商用FLUENT软件,对突片作用下的气膜冷却传热特性进行了数值模拟。通过研究,得到如下主要结论:(1)突片的存在强化了气膜冷却效率,使得气膜冷却效率远高于无突片的气膜冷却效率。吹风比对气膜冷却效率有很大的影响,但对不同的突片,在不同的气膜冷却区域,吹风比对气膜冷却效果的影响也不相同。对于结构相同的突片,在相同的吹风比下,冷却效率随突片堵塞比的增加而增大;而对不同的突片,在堵塞比相同时,梯形突片的冷却效率最高,三角形突片的冷却效率最低,但均高于无突片时的冷却效率。(2)突片的存在对气膜冷却对流换热系数有影响。但对于不同的突片堵塞比,这种影响也不同。三角形突片在B=0.107和B=0.214时的换热系数与无突片的换热系数相差不大,而在B=0.387时则明显大于无突片的对流换热系数。梯形突片和椭圆形突片换热系数则在所有堵塞比下均大于无突片的换热系数,且梯形突片在B=0.214时换热效果最好。(3)突片的存在对气膜孔的流量系数有很大的影响。气膜孔的流量系数Cd均随突片堵塞比的增大而减小,无突片的情况下Cd最大。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 气膜冷却的国内外研究现状
• 1.2.1 关于纯气膜的气膜冷却
• 1.2.2 关于突片的气膜冷却
• 1.3 本文的主要工作
• 第二章 实验设备和实验方法
• 2.1 实验系统
• 2.2 实验段和实验件设计
• 2.3 实验件
• 2.4 加热器
• 2.5 稳压箱
• 2.6 测量装置和测量方法
• 2.6.1 流量测量装置和测量方法
• 2.6.2 压力测量装置
• 2.6.3 温度测量装置
• 2.7 数据处理
• 2.7.1 吹风比的定义
• 2.7.2 雷诺数的定义
• 2.7.3 冷却效率的定义
• 2.7.4 对流换热系数的定义
• 2.7.5 流量系数的定义
• 2.8 实验过程
• 第三章 研究结果及分析
• 3.1 不同结构突片气膜冷却壁面温度场
• 3.1.1 三角形突片气膜冷却壁面温度场
• 3.1.2 梯形和椭圆形突片气膜冷却壁面温度场
• 3.1.3 不同结构突片气膜冷却壁面温度场的比较
• 3.2 三角形突片气膜冷却特性分析
• 3.2.1 三角形突片气膜冷却效率分析
• 3.2.1.1 吹风比对冷却效率的影响
• 3.2.1.2 堵塞比对冷却效率的影响
• 3.2.2 三角形突片气膜冷却对流换热特性分析
• 3.2.2.1 吹风比对对流换热系数的影响
• 3.2.2.2 堵塞比对对流换热系数的影响
• 3.3 梯形突片气膜冷却特性分析
• 3.3.1 梯形突片气膜冷却效率分析
• 3.3.1.1 吹风比对冷却效率的影响
• 3.3.1.2 堵塞对冷却效率的影响
• 3.3.2 梯形突片气膜冷却对流换热特性分析
• 3.3.2.1 吹风比对对流换热系数的影响
• 3.3.2.2 堵塞比对对流换热系数的影响
• 3.4 椭圆形突片气膜冷却特性分析
• 3.4.1 椭圆形突片气膜冷却效率分析
• 3.4.1.1 吹风比对冷却效率的影响
• 3.4.1.2 堵塞对冷却效率的影响
• 3.4.2 椭圆形突片气膜冷却对流换热特性分析
• 3.4.2.1 吹风比对对流换热系数的影响
• 3.4.2.2 堵塞比对对流换热系数的影响
• 3.5 不同结构突片气膜冷却特性的比较
• 3.5.1 不同结构突片对冷却效率的影响
• 3.5.2 不同结构突片对对流换热系数的影响
• 3.5.3 流量系数
• 3.6 本章小结
• 第四章 实验误差
• 4.1 冷却效率的误差分析
• 4.2 换热系数的误差计算
• 4.3 流量系数的误差计算
• 第五章 数值研究
• 5.1 控制方程
• 5.2 湍流模型
• 5.3 网格划分与边界条件
• 5.4 计算结果与分析
• 5.4.1 气膜孔中心截面的流场分布
• 5.4.2 冷却壁面的温度场分布特性
• 5.4.3 突片的作用机理
• 5.4.3.1 无突片时的流场及温度场的分布
• 5.4.3.2 突片作用下气膜孔下游不同截面处的流场及温度场
• 5.4.4 气膜冷却效率
• 5.4.4.1 气膜孔展向平均冷却效率实验与数值计算的对比
• 5.4.4.2 吹风比对展向平均冷却效率的影响
• 5.4.4.3 堵塞比对展向平均冷却效率的影响
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 研究结论
• 6.1.1 冷却效率的研究结论
• 6.1.2 换热系数的研究结论
• 6.1.3 流量系数的研究结论
• 6.2 对进一步工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文