大曲率壁面氣膜槽與側(cè)向擴張孔冷卻對比研究

萬卜銘 黎超超 胡暢

摘要：本文通過數(shù)值仿真對比研究了不同單位面積冷氣量下，三種曲率半徑R（15、20、25mm）壁面上氣膜槽與側(cè)向擴張孔兩種冷卻方式的冷卻效率及氣膜覆蓋情況。計算結(jié)果表明，在三種曲率半徑下，氣膜槽在舌片出口段均能形成很好的冷卻氣膜，但其貼壁性較差，覆蓋距離短;當R=15mm時，側(cè)向擴張孔冷卻效率起始段明顯劣于氣膜槽，且后段貼壁優(yōu)勢不明顯;但當R增大到20mm以上時，側(cè)向擴張孔氣膜貼壁性好，有效覆蓋距離明顯增大，優(yōu)于傳統(tǒng)氣膜槽。因此根據(jù)回流燃燒室小彎管結(jié)構(gòu)特點，側(cè)向擴張孔可與氣膜槽搭配使用。

關(guān)鍵詞：回流燃燒室;大曲率壁面;氣膜槽;側(cè)向擴張孔;冷卻效率 氣膜有效覆蓋情況。

1 引言

航空發(fā)動機的高性能需求使得燃燒室所承受的溫度不斷增加，因此需要更加高效的冷卻方式來降低火焰筒壁面溫度?；亓魅紵抑刑赜械男澒芙Y(jié)構(gòu)，屬于大曲率型面，傳統(tǒng)冷卻氣膜容易被吹離，造成小彎管壁溫過高。有研究發(fā)現(xiàn)[1][2]，側(cè)向擴張孔形成的冷卻氣膜具有較好的貼壁性，因此本文通過數(shù)值模擬對比研究了傳統(tǒng)氣膜槽與側(cè)向擴張孔兩種冷卻方式的優(yōu)與劣。

文獻[3]數(shù)值研究一種雙出口的氣膜冷卻孔，得到不同次孔偏轉(zhuǎn)角對應的最佳吹風比，綜合考慮后得出高吹風比時，次孔偏轉(zhuǎn)角40°時冷卻效率最佳。文獻[4]數(shù)值研究了不同橫向擴張角的扇形氣膜孔在不同吹風比下的冷卻效率，發(fā)現(xiàn)橫向擴張角和吹風比的增大都會導致下游冷卻效率下降，但適當增加擴張角能擴張冷卻氣膜的覆蓋面積。文獻[5]試驗研究了氣膜-發(fā)散組合冷卻結(jié)構(gòu)的冷卻特征，得到了不同氣動參數(shù)對換熱系數(shù)的影響及三種排布方式的冷卻效率。文獻[6]為提高冷卻效率，對多段擴張孔的孔型進行了優(yōu)化，得到孔長=90mm，流向擴張角=20°，側(cè)向擴張角=5°時冷卻效率達到最大值。

綜上可知，目前對于各類異型孔的研究主要為孔型優(yōu)化及平板冷卻效率研究，側(cè)向擴張孔在氣膜覆蓋性的優(yōu)勢對于回流燃燒室大曲率壁面冷卻具有研究價值。因此本文通過數(shù)值計算研究了三種曲率半徑下（R=15、20、25mm）傳統(tǒng)氣膜槽與側(cè)向擴張孔冷卻效率及2 研究方案及幾何模型

不同曲率半徑壁面上兩種冷卻方式當量開孔面積及目標冷卻區(qū)域面積保持一致。其中，側(cè)向擴張孔擴張角為25°，傾角為20°。研究方案如表1所示，側(cè)向擴張孔與氣膜槽對比研究模型如圖1所示。

3 計算方法

3.1 湍流模型

本文選用適用于射流計算的Realizable k-ε湍流模型搭配標準壁面函數(shù)開展數(shù)值研究，壓力-速度耦合求解器采用SIMPLEC算法，對流項差分格式均采用二階迎風格式，收斂標準為各項殘差達到10-5量級。

3.2網(wǎng)格劃分及無關(guān)性驗證

本文使用ICEM軟件對計算域進行四面體網(wǎng)格劃分，并對小孔內(nèi)及流體域壁面進行局部加密。網(wǎng)格局部加密情況見圖2，使用比例因子將網(wǎng)格整體加密到壁溫不再隨網(wǎng)格尺度發(fā)生變化為止，其中不同曲率半徑及冷卻方案網(wǎng)格總數(shù)不同。

3.3 邊界條件

主次流進口均設(shè)為質(zhì)量流量進口，次流出口為壁面，主流出口設(shè)為壓力出口。計算域兩側(cè)設(shè)為周期性邊界，由于計算工況下氣流最大馬赫數(shù)小于0.3，因此可視為不可壓理想氣體。各計算工況見表2。其中主流總溫，次流總溫。

4 計算結(jié)果

圖3為R=20mm壁面上，不同單位面積冷氣量條件下兩種冷卻方式絕熱冷卻效率分布云圖。其中S為曲面弧長，通過Z坐標換算得到，為橫向平均絕熱冷卻效率，D=0.8mm，即：

圖4為R=15mm與R=20mm壁面在不同單位面積冷卻量下對比曲線。當曲率半徑增大到25mm時，變化曲線與20mm時相似，在目標冷卻區(qū)域起始位置氣膜槽能形成很好的冷卻氣膜，冷卻效率很高，但該優(yōu)勢只能持續(xù)到S/D=10mm處，隨著冷氣量的增大，優(yōu)勢略有增加;而側(cè)向擴張孔形成了冷卻氣膜覆蓋距離要優(yōu)于氣膜槽，壁面溫度梯度小，且隨著單位面積冷氣量的不斷增加，中段和后段的優(yōu)勢越發(fā)明顯。但當R=15mm時，目標冷卻區(qū)域變短，增大單位面積冷氣量，對側(cè)向擴張孔的冷卻效率提升效果不明顯，但能明顯增大氣膜槽在起始段的優(yōu)勢，優(yōu)勢距離從S/D=5增加到了S/D=17作用，占目標冷卻區(qū)域的一半左右。

參考多個經(jīng)典回流燃燒室小彎管結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)從內(nèi)環(huán)到小彎管過度部分常使用曲率半徑較?。≧<20mm）的型面轉(zhuǎn)接，與大彎管共同完成流道轉(zhuǎn)折，之后大部分區(qū)域為一段或多段曲率半徑較大（R）的型面轉(zhuǎn)接，直至燃燒室出口。因此根據(jù)以上計算結(jié)果，可以將氣膜槽與側(cè)向擴張孔搭配使用，在小彎管起始段，設(shè)計氣膜槽，氣膜孔孔徑及間距可根據(jù)目標冷卻面積確定，在氣膜槽冷氣優(yōu)勢區(qū)域結(jié)束時，布置一到兩組側(cè)向擴張孔銜接，以此在整個小彎管壁面上形成致密的冷卻氣膜。

5 結(jié)論

本文數(shù)值研究了不同曲率半徑上氣膜槽與側(cè)向擴張孔兩種冷卻方式的絕熱冷卻效率，了解了側(cè)向擴張孔優(yōu)異覆蓋性的有效范圍，得到結(jié)論如下：

（1）R=15mm時，隨著單位面積冷氣量的增加，氣膜槽前段冷卻效率及覆蓋距離提升明顯，但之后冷效下降較快，而側(cè)向擴張孔冷卻效率變化不大，當R時，單位冷氣量的增加能明顯提升側(cè)向擴張孔的有效覆蓋距離及冷卻效率;

（2）在各曲率半徑上，側(cè)向擴張孔形成的冷卻氣膜覆蓋距離均有優(yōu)勢，但隨著曲率半徑的減小，該優(yōu)勢逐漸削弱，當R減小到15mm時，側(cè)向擴張孔的覆蓋優(yōu)勢極小，此時氣膜槽在目標冷卻區(qū)域前段優(yōu)勢明顯;

（3）根據(jù)回流燃燒室小彎管結(jié)構(gòu)特點，可將側(cè)向擴張孔與氣膜槽搭配起來使用。

參考文獻

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