扇形氣膜孔幾何參數(shù)對(duì)氣膜冷卻效率的影響

周晨， 丁亮， 馮曉星

(中國(guó)航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)研發(fā)中心， 上海 200241)

隨著現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前溫度的不斷提升，航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的工作環(huán)境日益嚴(yán)苛，為確保其能夠安全工作并延長(zhǎng)使用壽命，高效的冷卻技術(shù)必不可少。氣膜冷卻是通過縫隙或孔引入一股冷卻流，借以對(duì)下游表面進(jìn)行保護(hù)的冷卻方式。該種冷卻技術(shù)冷卻效率高，在現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件上得到了廣泛的應(yīng)用。氣膜孔射流問題流動(dòng)復(fù)雜，冷卻射流進(jìn)入主流后，與主流發(fā)生卷吸和摻混，誘發(fā)多種渦結(jié)構(gòu)，從而對(duì)氣膜冷卻效率產(chǎn)生較大的影響[1]。Wright等[2]采用粒子圖像測(cè)速(particle image velocimetry，PIV)和壓力敏感漆(pressure sensitive paint，PSP)技術(shù)對(duì)圓柱形氣膜孔在不同主流湍流度下的射流結(jié)構(gòu)和氣膜冷卻效率進(jìn)行了研究。孟通等[3]通過數(shù)值模擬的方法對(duì)4種氣膜冷卻孔的孔內(nèi)渦結(jié)構(gòu)和主流腔的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)以及對(duì)氣膜冷卻效率的影響進(jìn)行了研究。許艷芝等[4]利用數(shù)值模擬技術(shù)研究了吹風(fēng)比和偏角對(duì)交叉孔氣膜冷卻特性的影響。劉友宏等[5]對(duì)波紋板隔熱屏的氣膜冷卻性能進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，討論了不同堵塞比對(duì)流阻和換熱特性的影響。李碩等[6]采用大渦模擬的方法研究了不同吹風(fēng)比對(duì)具體渦結(jié)構(gòu)和冷卻效率的影響。

扇形氣膜孔作為一種擴(kuò)張型氣膜孔，有效地降低了冷卻流在氣膜孔出口處的動(dòng)量，使得冷卻流能夠更好地貼附壁面，冷卻效率顯著高于常規(guī)的圓柱形氣膜孔[7-8]。扇形氣膜孔幾何參數(shù)較多，不同的參數(shù)組合可能導(dǎo)致截然不同的冷卻效果。因此，許多學(xué)者針對(duì)幾何參數(shù)對(duì)氣膜冷卻效率的影響展開了研究。Gritsch等[9]通過試驗(yàn)研究了面積比、孔隙率、孔間距、擴(kuò)張段長(zhǎng)度和偏航角對(duì)單排扇形氣膜孔冷卻效率的影響，結(jié)果顯示在其所研究的幾何參數(shù)范圍內(nèi)，展向平均冷卻效率隨幾何參數(shù)的變化不大。Saumweber等[10]針對(duì)單個(gè)扇形氣膜孔，通過試驗(yàn)研究了傾斜角、擴(kuò)張角和入口圓柱段長(zhǎng)度對(duì)冷卻效率的影響，結(jié)果表明幾何參數(shù)的變化對(duì)冷卻效率影響顯著，且大多數(shù)情況下對(duì)于圓柱形氣膜孔的一些結(jié)論不再適用于扇形氣膜孔。Colban等[11]討論了扇形氣膜孔幾何參數(shù)對(duì)冷卻效率的影響，給出了用于預(yù)測(cè)扇形氣膜孔下游展向平均冷卻效率的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。趙珂等[12]基于響應(yīng)面法對(duì)影響氣膜冷卻效率的典型幾何參數(shù)進(jìn)行了參數(shù)敏感性分析。此外，還有許多研究人員基于數(shù)值模擬方法，結(jié)合代理模型和優(yōu)化算法，對(duì)扇形氣膜孔的幾何參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究[13-16]。

以上針對(duì)扇形氣膜孔幾何參數(shù)對(duì)氣膜冷卻效率影響的研究大多采用變化單一參數(shù)，固定其他參數(shù)的策略來設(shè)計(jì)試驗(yàn)或計(jì)算矩陣，并基于結(jié)果總結(jié)參數(shù)影響規(guī)律。然而，氣膜冷卻效率隨幾何參數(shù)的變化規(guī)律還受到參數(shù)取值范圍及具體工況的影響，難以得到普適的規(guī)律或經(jīng)驗(yàn)公式，因此給出的結(jié)論通常適用范圍局限，甚至可能出現(xiàn)相互矛盾的情況。同時(shí)，前人研究中較少考慮扇形氣膜孔傾斜角和入口圓柱段長(zhǎng)度的影響，而這些參數(shù)對(duì)氣膜冷卻效率存在較大影響，有必要將其作為主要影響因素進(jìn)行考慮。為此，基于典型大涵道比商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室火焰筒工作環(huán)境，對(duì)扇形氣膜孔射流問題的流動(dòng)和換熱進(jìn)行數(shù)值模擬分析，綜合考慮工程實(shí)際應(yīng)用及加工工藝，研究了氣膜孔板厚度、氣膜孔出口寬度、氣膜孔入口圓柱段長(zhǎng)度以及氣膜孔傾斜角等主要幾何參數(shù)對(duì)氣膜冷卻效率的影響，同時(shí)考慮吹風(fēng)比的影響，結(jié)合展向渦對(duì)氣膜冷卻效率變化的原因和規(guī)律進(jìn)行探討。

1 模型描述

典型扇形氣膜孔幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示，取氣膜孔入口圓柱段孔徑D為定值0.6 mm，氣膜孔幾何參數(shù)包括，氣膜孔板厚度H、氣膜孔出口寬度W、氣膜孔入口圓柱段長(zhǎng)度L1和氣膜孔傾斜角α，氣膜孔擴(kuò)張角β與上述參數(shù)之間存在的關(guān)系可表示為

圖1 扇形氣膜孔幾何參數(shù)示意圖

(1)

扇形氣膜孔幾何模型由主流通道、冷卻流通道和氣膜孔組成，根據(jù)結(jié)構(gòu)及流動(dòng)的對(duì)稱性，選取物理模型的1/2作為計(jì)算域以減少計(jì)算量，計(jì)算模型及幾何尺寸如圖2所示。其中，坐標(biāo)原點(diǎn)位于扇形氣膜孔出口中心位置，x、y、z坐標(biāo)方向分別與主流流向、展向和壁面法向一致。

圖2 計(jì)算域示意圖

2 數(shù)值模擬

2.1 網(wǎng)格劃分

采用ICEM CFD 16.0軟件對(duì)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。為了保證計(jì)算精度，對(duì)氣膜孔采用O型網(wǎng)格劃分，并在近壁面采用邊界層網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，以保證在關(guān)注的壁面位置y+量級(jí)為1。網(wǎng)格獨(dú)立性分析表明，當(dāng)整個(gè)計(jì)算域網(wǎng)格總量約為11×105時(shí)，中心線沿流向氣膜冷卻效率隨網(wǎng)格數(shù)量的增加不再發(fā)生明顯變化。典型幾何參數(shù)下的扇形氣膜孔計(jì)算網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 計(jì)算網(wǎng)格

2.2 數(shù)值計(jì)算方法及邊界條件

采用CFX 16.0軟件模擬扇形氣膜孔冷卻流動(dòng)與換熱問題，主流與冷卻流均設(shè)置為理想氣體，湍流模型選擇SST模型[17-18]，壁面函數(shù)為自動(dòng)壁面處理模型。計(jì)算域邊界條件如圖4所示，主流入口邊界和冷卻流入口邊界給定質(zhì)量流量及溫度，出口邊界給定靜壓為0，幾何對(duì)稱面及主流流道頂部采用對(duì)稱邊界條件，其他邊界均設(shè)置為無(wú)滑移絕熱壁面。

圖4 計(jì)算域邊界條件示意圖

參考典型大涵道比商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室火焰筒工作環(huán)境，取參考?jí)毫r為4 MPa，主流與冷卻流具體氣動(dòng)參數(shù)如表1所示，其中，冷卻流流量Wc固定不變，主流流量Wm可結(jié)合吹風(fēng)比BR計(jì)算得到。

表1 氣動(dòng)參數(shù)

2.3 算例驗(yàn)證

圖5 面平均氣膜冷卻效率對(duì)比

2.4 參數(shù)定義

主要研究扇形氣膜孔幾何參數(shù)對(duì)氣膜冷卻效率的影響，定義絕熱氣膜冷卻效率η為

(2)

式(2)中：Taw為絕熱壁溫。

(3)

式(3)中：T為各點(diǎn)實(shí)際溫度。

吹風(fēng)比BR的定義為

(4)

式(4)中：ρm和ρc分別為主流和冷卻流的密度；um和uc分別為主流和冷卻流的速度。

3 幾何模型矩陣

取扇形氣膜孔入口圓柱段孔徑D為定值0.6 mm，為了研究扇形氣膜孔幾何參數(shù)對(duì)流動(dòng)和換熱的影響，綜合考慮工程實(shí)際應(yīng)用以及加工工藝，設(shè)計(jì)了如表2所示的幾何參數(shù)組合。其中，考慮到參數(shù)之間的交叉影響可能導(dǎo)致各參數(shù)對(duì)氣膜冷卻效率的影響規(guī)律發(fā)生變化，分別選取了No.1和 No.14 對(duì)應(yīng)的幾何參數(shù)組合作為兩個(gè)基準(zhǔn)幾何構(gòu)型，在其基礎(chǔ)上分別進(jìn)行單一參數(shù)的變化從而得到A、B兩組共計(jì)21種幾何參數(shù)組合。氣動(dòng)參數(shù)則僅考慮吹風(fēng)比的影響，吹風(fēng)比取值如表1所示。

表2 幾何模型矩陣

4 結(jié)果與分析

分別對(duì)表2中的21種幾何參數(shù)組合在表1所示氣動(dòng)參數(shù)條件下開展數(shù)值模擬，通過對(duì)比冷卻效率、展向渦、無(wú)量綱溫度等參數(shù)，分析扇形氣膜孔幾何參數(shù)變化對(duì)流動(dòng)和換熱的影響。其中，No.1、No.2、No.3和No.12、No.13、No.14用于對(duì)比氣膜孔板厚度H的影響，No.1、No.6、No.7、No.8和No.14、No.15、No.16用于對(duì)比氣膜孔出口寬度W的影響，No.1、No.4、No.5和No.14、No.17、No.18、No.19用于對(duì)比氣膜孔入口圓柱段長(zhǎng)度L1的影響，No.1、No.9、No.10、No.11和No.14、No.20、No.21用于對(duì)比氣膜孔傾斜角α的影響。

4.1 氣膜孔板厚度H的影響

圖6為氣膜孔板熱側(cè)面面平均氣膜冷卻效率在不同吹風(fēng)比條件下隨H的變化關(guān)系?？梢钥闯觯?dāng)BR=1時(shí)，H的變化對(duì)冷卻效率的影響很小。當(dāng)BR>1時(shí)，對(duì)于A組算例，隨著H的增大，面平均氣膜冷卻效率先減小，后增大；對(duì)于B組算例，面平均氣膜冷卻效率隨著H的增大而增大。

圖6 面平均氣膜冷卻效率隨H的變化

兩組算例中，當(dāng)BR>1時(shí)，隨著吹風(fēng)比的增大，冷卻效率均呈減小趨勢(shì)；當(dāng)BR>5.5時(shí)，冷卻效率不再發(fā)生明顯變化。

以BR=3.5的計(jì)算結(jié)果為例，圖7給出了不同H的氣膜孔板熱側(cè)面的氣膜冷卻效率云圖?？梢钥闯觯贏組算例中，H=2 mm時(shí)氣膜覆蓋效果最好，冷卻效率最佳；而H=2.5、3 mm時(shí)，在氣膜孔出口中心位置冷卻效率較高，在距離氣膜孔較遠(yuǎn)的下游氣膜覆蓋效果明顯變差，僅在沿氣膜孔中心線處存在一定的冷卻效果。B組3個(gè)算例則均在氣膜孔出口中間位置冷卻效率較高，展向冷卻效率差異較大。

圖7 不同H下的熱側(cè)面氣膜冷卻效率分布

圖8給出了氣膜孔出口處與流向垂直的截面上(距氣膜孔出口下游0.5D處)的速度矢量和無(wú)量綱溫度分布?？梢钥闯?，冷卻流射入主流后與主流發(fā)生卷吸和摻混，在氣膜孔出口下游形成了反向旋轉(zhuǎn)的卵形渦對(duì)。在A組算例中，當(dāng)H=2.5、3 mm時(shí)，卵形渦對(duì)通過旋轉(zhuǎn)剪切作用將高溫主流從展向兩側(cè)帶入冷卻流下方，冷卻流穿透現(xiàn)象明顯，導(dǎo)致在距離氣膜孔較遠(yuǎn)的下游，高溫主流幾乎完全侵入冷卻流底部，氣膜冷卻效率明顯降低。與H=2.5 mm時(shí)相比，H=3 mm時(shí)卵形渦對(duì)間距較大，渦對(duì)之間的相互增強(qiáng)作用被削弱，冷卻效率得到改善。當(dāng)H=2 mm時(shí)，在原卵形渦對(duì)兩側(cè)出現(xiàn)了一對(duì)尺度較小的卵形渦，對(duì)靠近中心線的卵形渦對(duì)產(chǎn)生抑制作用，削弱了對(duì)高溫主流的卷攜，使冷卻流更好的貼附壁面從而改善了氣膜冷卻效率。在B組算例中，H=2.5、3 mm時(shí)，變化趨勢(shì)與A組中No.2、No.3算例類似。而當(dāng)H=2 mm時(shí)，在原卵形渦對(duì)兩側(cè)出現(xiàn)了一對(duì)尺度較小的旋轉(zhuǎn)方向相反的逆-卵形渦，與靠近中心線的卵形渦對(duì)相互作用，增強(qiáng)了對(duì)高溫主流的卷攜，使得更多的高溫主流侵入冷卻流下方，從而導(dǎo)致冷卻效率惡化。

圖8 不同H下的速度矢量和無(wú)量綱溫度分布

4.2 氣膜孔出口寬度W的影響

圖9為氣膜孔板熱側(cè)面面平均氣膜冷卻效率在不同吹風(fēng)比條件下隨W/D的變化關(guān)系。可以看出，對(duì)于A、B兩組算例，在各吹風(fēng)比下，隨著W/D的增大，面平均氣膜冷卻效率均增大。但當(dāng)BR=1時(shí)，W/D的變化對(duì)冷卻效率的影響較小。

圖9 面平均氣膜冷卻效率隨W/D的變化

在A組算例中，當(dāng)BR>1時(shí)，冷卻效率隨吹風(fēng)比的增大變化很小。而B組算例中，當(dāng)BR>1時(shí)，隨著吹風(fēng)比的增大，冷卻效率呈減小趨勢(shì)；當(dāng)BR>5.5時(shí)，冷卻效率不再發(fā)生明顯變化。

以BR=3.5的計(jì)算結(jié)果為例，圖10給出了不同W/D的氣膜孔板熱側(cè)面的氣膜冷卻效率云圖?？梢钥闯觯贏組算例中，W/D=2.5時(shí)，在氣膜孔出口位置冷卻效率較高，在氣膜孔出口寬度范圍內(nèi)冷卻效率分布較均勻，而在距離氣膜孔較遠(yuǎn)的下游，僅在中心線附近存在一定的冷卻效果；隨著W/D的增大，氣膜孔出口寬度增大，氣膜孔下游氣膜覆蓋面積也增大，冷卻效率沿展向分布更均勻，其中當(dāng)W/D=3.5和4時(shí)，在距離氣膜孔較遠(yuǎn)的下游，氣膜覆蓋寬度甚至超過了氣膜孔出口寬度。B組三個(gè)算例則均在氣膜孔出口中間位置冷卻效率較高，展向冷卻效率差異較大，隨著W/D的增大，氣膜覆蓋面積增大，但氣膜覆蓋形狀類似。

圖10 不同W/D下的熱側(cè)面氣膜冷卻效率分布

圖11給出了氣膜孔出口處與流向垂直的截面上的速度矢量和無(wú)量綱溫度分布。在A組算例中，當(dāng)W/D=2.5時(shí)，反向旋轉(zhuǎn)的卵形渦對(duì)將高溫主流從展向兩側(cè)帶入冷卻流下方，冷卻流穿透現(xiàn)象明顯。隨著W/D的增大，在氣膜孔下游出現(xiàn)了新的卵形渦對(duì)和逆-卵形渦對(duì)。其中，當(dāng)W/D=3時(shí)，即算例No.1，此處不再重復(fù)描述。當(dāng)W/D=3.5、4時(shí)，逆-卵形渦對(duì)占據(jù)主導(dǎo)，對(duì)靠近中心線的卵形渦產(chǎn)生抑制，削弱了冷卻流向主流的法向穿透以及對(duì)高溫主流的卷攜，改善了冷卻流的貼壁效果。在B組算例中，隨著W/D的增大，卵形渦對(duì)間距增大，渦對(duì)之間的相互增強(qiáng)作用被削弱，冷卻效率得到改善。

圖11 不同W/D下的速度矢量和無(wú)量綱溫度分布

4.3 氣膜孔入口圓柱段長(zhǎng)度L1的影響

圖12為氣膜孔板熱側(cè)面面平均氣膜冷卻效率在不同吹風(fēng)比條件下隨L1/D的變化關(guān)系。可以看出，當(dāng)BR=1時(shí)，L1/D的變化對(duì)冷卻效率的影響微乎其微。當(dāng)BR>1時(shí)，對(duì)于A組算例，隨著L1/D的增大，面平均氣膜冷卻效率減小；對(duì)于B組算例，面平均氣膜冷卻效率隨著L1/D的增大先減小，而后變化不大。

圖12 面平均氣膜冷卻效率隨L1/D的變化

當(dāng)BR>1時(shí)，冷卻效率隨吹風(fēng)比的變化規(guī)律與L1/D的取值相關(guān)。在A組算例中，當(dāng)L1/D=2時(shí)，隨著吹風(fēng)比從2變化到8，冷卻效率呈減小趨勢(shì)，但變化不大；當(dāng)L1/D=3和4時(shí)，冷卻效率隨吹風(fēng)比的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，且L1/D越大，冷卻效率變化范圍越大。在B組算例中，當(dāng)L1/D=2時(shí)，冷卻效率隨吹風(fēng)比的增大呈增大趨勢(shì)，且在大吹風(fēng)比條件下，冷卻效率變化不大；當(dāng)L1/D=3、4、5時(shí)，隨著吹風(fēng)比從2變化到8，冷卻效率呈減小趨勢(shì)，且在大吹風(fēng)比條件下，冷卻效率變化不大。

以BR=3.5的計(jì)算結(jié)果為例，圖13給出了不同L1/D的氣膜孔板熱側(cè)面的氣膜冷卻效率云圖。可以看出，在A組算例中，隨著L1/D的增大，氣膜孔下游氣膜覆蓋區(qū)域逐漸變小，冷卻效率呈惡化趨勢(shì)，其中當(dāng)L1/D=4時(shí)，僅在氣膜孔出口中間位置附近冷卻效率較高，其他區(qū)域冷卻效率急劇降低。在B組算例中，隨著L1/D的增大，高冷卻效率區(qū)逐漸向內(nèi)、向上游縮小，但氣膜整體覆蓋形狀類似，其中L1/D=4和5兩個(gè)算例未呈現(xiàn)出明顯差異。

圖13 不同L1/D下的熱側(cè)面氣膜冷卻效率分布

圖14給出了氣膜孔出口處與流向垂直的截面上的速度矢量和無(wú)量綱溫度分布。在A組算例中，當(dāng)L1/D=2和3時(shí)，距中心線較遠(yuǎn)的卵形渦對(duì)靠近中心線的卵形渦產(chǎn)生抑制，削弱了對(duì)高溫主流的卷攜，冷卻效率相對(duì)較高。當(dāng)L1/D=4時(shí)，在兩側(cè)雖然形成了逆-卵形渦，但其未占據(jù)主導(dǎo)作用，且距中心線較遠(yuǎn)，與中心線附近的卵形渦相互作用后反而增強(qiáng)了對(duì)主流向下的卷攜，導(dǎo)致更多的主流侵入冷卻流底部，冷卻流穿透現(xiàn)象明顯，最終導(dǎo)致冷卻效率急劇惡化。在B組算例中，隨著L1/D的增大，卵形渦對(duì)間距減小，由于渦對(duì)之間的相互作用增強(qiáng)了對(duì)主流的卷攜，導(dǎo)致冷卻效率變差。

圖14 不同L1/D下的速度矢量和無(wú)量綱溫度分布

4.4 氣膜孔傾斜角α的影響

圖15為氣膜孔板熱側(cè)面面平均氣膜冷卻效率在不同吹風(fēng)比條件下隨α的變化關(guān)系。從圖中可以看出，當(dāng)BR=1時(shí)，α的變化對(duì)冷卻效率的影響微乎其微。對(duì)于A組算例，當(dāng)BR>1時(shí)，隨著α的增大，面平均氣膜冷卻效率先增大后減小。對(duì)于B組算例，在不同吹風(fēng)比下，冷卻效率隨α的增大呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律；當(dāng)BR=2、5.5時(shí)，冷卻效率隨α的增大逐漸減??；當(dāng)BR=3.5、7、8時(shí)，冷卻效率隨α的增大先減小，后增大。

圖15 面平均氣膜冷卻效率隨α的變化

當(dāng)BR>1時(shí)，冷卻效率隨吹風(fēng)比的變化規(guī)律與α的取值相關(guān)。在A組算例中，當(dāng)α=20°和25°時(shí)，隨著吹風(fēng)比的增大，冷卻效率呈減小趨勢(shì)，且在大吹風(fēng)比條件下，冷卻效率變化不大；當(dāng)α=30°和35°時(shí)，冷卻效率隨吹風(fēng)比的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。在B組算例中，當(dāng)α=20°和25°時(shí)，冷卻效率隨吹風(fēng)比的增大呈減小趨勢(shì)，且在大吹風(fēng)比條件下，冷卻效率變化不大；當(dāng)α=30°時(shí)，隨著吹風(fēng)比的增大，冷卻效率先減小后增大。

以BR=3.5的計(jì)算結(jié)果為例，圖16給出了不同α的氣膜孔板熱側(cè)面的氣膜冷卻效率云圖。可以看出，在A組算例中，當(dāng)α=20°時(shí)，氣膜覆蓋效果差，僅在氣膜孔出口中間位置附近冷卻效率較高，其他區(qū)域冷卻效率急劇降低；當(dāng)α=25°時(shí)，冷卻效率得到很大改善，下游大部分區(qū)域均被冷卻流覆蓋；當(dāng)α=30°時(shí)，氣膜覆蓋效果較好，沿流向冷氣膜不斷向兩側(cè)擴(kuò)張；而當(dāng)α=35°時(shí)，氣膜覆蓋效果很差，僅在氣膜孔出口兩側(cè)位置附近冷卻效率較高，其他區(qū)域冷卻效率急劇降低。而在B組算例中，當(dāng)α=20°時(shí)，氣膜覆蓋效果相對(duì)較好，冷卻效率較高；當(dāng)α=25°時(shí)，僅在氣膜孔出口中間位置附近冷卻效率較高，其他區(qū)域冷卻效率急劇降低；當(dāng)α=30°時(shí)，在靠近氣膜孔出口的下游氣膜覆蓋效果較好，但沿流向經(jīng)過一段距離后氣膜展向覆蓋效果顯著變差。

圖16 不同α下的熱側(cè)面氣膜冷卻效率分布

圖17給出了氣膜孔出口處與流向垂直的截面上的速度矢量和無(wú)量綱溫度分布。在A組算例中，當(dāng)α=20°時(shí)，反向旋轉(zhuǎn)的卵形渦對(duì)將高溫主流從展向兩側(cè)帶入冷卻流下方，冷卻流穿透現(xiàn)象明顯；當(dāng)α=25°時(shí)，距中心線較遠(yuǎn)的卵形渦對(duì)靠近中心線的卵形渦產(chǎn)生抑制，削弱了對(duì)高溫主流的卷攜，冷卻效率相對(duì)較高；當(dāng)α=30°時(shí)，逆-卵形渦對(duì)占據(jù)主導(dǎo)，對(duì)靠近中心線的卵形渦產(chǎn)生抑制，削弱了冷卻流向主流的法向穿透以及對(duì)高溫主流的卷攜，改善了冷卻流的貼壁效果；當(dāng)α=35°時(shí)，冷卻流沿氣膜孔出口兩側(cè)流出，與主流相互作用在中心線兩側(cè)形成了兩組反向旋轉(zhuǎn)的卵形渦對(duì)，將高溫主流從中間和兩側(cè)帶入冷卻流下方，冷卻流穿透現(xiàn)象明顯，且相鄰卵形渦之間兩兩相互作用又進(jìn)一步增強(qiáng)了對(duì)主流的卷攜及冷卻流的法向穿透，從而導(dǎo)致冷卻效率顯著惡化。在B組算例中，隨著α的變化，卵形渦對(duì)間距發(fā)生變化，從而影響對(duì)主流的卷攜和冷卻流向主流的穿透程度，進(jìn)而對(duì)冷卻效率產(chǎn)生影響。

圖17 不同α下的速度矢量和無(wú)量綱溫度分布

5 結(jié)論

基于典型大涵道比商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室火焰筒工作環(huán)境及氣膜孔幾何參數(shù)，確立了氣動(dòng)參數(shù)和幾何參數(shù)的取值范圍，并綜合考慮參數(shù)的交叉影響及計(jì)算量，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的計(jì)算矩陣。通過數(shù)值模擬，分析了冷卻流與主流的摻混及冷卻效率的分布，討論了主要幾何參數(shù)及吹風(fēng)比對(duì)扇形氣膜孔氣膜冷卻效率的影響，得到如下結(jié)論。

(1)幾何參數(shù)的變化將誘發(fā)多種不同的展向渦結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致氣膜孔下游的冷卻效率分布存在較大差異。

(2)在小吹風(fēng)比情況下(BR=1)，扇形氣膜孔各幾何參數(shù)的變化對(duì)氣膜冷卻效率的影響均很小。

(3)當(dāng)BR>1時(shí)，隨著氣膜孔出口寬度的增大氣膜冷卻效率呈增大趨勢(shì)；隨著入口圓柱段長(zhǎng)度的增大氣膜冷卻效率呈降低趨勢(shì)；氣膜孔板厚度和傾斜角對(duì)氣膜冷卻效率的影響則受其他幾何參數(shù)的交叉影響，因而呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。

(4)扇形氣膜孔冷卻效率隨吹風(fēng)比的變化規(guī)律則受幾何參數(shù)的影響較大。