氣膜抽吸與葉片前緣內(nèi)部壁面射流的作用機制

鄧清華,王輝輝,何偉,豐鎮(zhèn)平

(西安交通大學能源與動力工程學院,710049,西安)

不斷提升燃氣渦輪的進口溫度是追求大功率、高效率燃氣輪機的關(guān)鍵技術(shù)之一,自20世紀70年代以來,渦輪進口溫度保持著每年15～20 K的增長速度[1],高于每年由葉片材料所帶來的7 K左右的貢獻[2],因此燃氣渦輪葉片對冷卻技術(shù)的創(chuàng)新與優(yōu)化提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。

渦輪葉片內(nèi)部冷卻方式主要有射流沖擊冷卻、旋流冷卻等。對于傳統(tǒng)的射流沖擊冷卻,在結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化、影響因素等方面,國內(nèi)外均做了大量的研究工作,取得了長足的進步[3-7],但是仍然存在由于射流沖擊帶來的橫流及其引起的溫度梯度等問題[8-11],于是微肋粗糙靶面[12]和V型擾流結(jié)構(gòu)[13-14]等被相繼提出并用于減小橫流對射流沖擊冷卻的不利影響。此外,射流沖擊冷卻在工程上通常會結(jié)合氣膜冷卻進行應用,這往往又會造成熱效率降低、流動損失增加的負面效應。對于旋流冷卻,Glezer等的研究表明,旋流冷卻在葉片前緣中有非?？捎^的冷卻效果,具有很大的應用潛力[15],進而針對其作用機理及影響因素等也做了諸多深入的研究[16-18]。近年來,Kusterer 等提出了一種新的雙旋流冷卻結(jié)構(gòu)[19-20],但是葉片前緣的幾何尺寸在一定程度上限制了旋流的冷卻作用,在實際的工程中還未得到廣泛的應用。

多通道壁面射流冷卻是文獻[21]提出的一種新型的渦輪葉片內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)形式,如圖1所示,冷卻空氣沖刷葉片前緣內(nèi)壁,然后以高動量在狹窄的通道中流動,從而避免了橫流的產(chǎn)生。

He等基于GE-E3渦輪葉片對沖擊冷卻、旋流冷卻和彎曲通道冷卻這3種不同的冷卻結(jié)構(gòu)進行了對比研究,證實了多通道壁面射流冷卻相對于常規(guī)內(nèi)部冷卻方式的優(yōu)越特性[22]。因此,多通道壁面射流冷卻結(jié)合了傳統(tǒng)的射流沖擊冷卻和旋流冷卻的優(yōu)勢,使得換熱系數(shù)較高并且分布也比較均勻。依據(jù)這種新型的動葉前緣部分冷卻方法,通過建立單通道壁面射流冷卻簡化模型,主要分析了靶面轉(zhuǎn)彎角度及半徑對壁面射流冷卻的流動與換熱特性的影響,研究表明,由于科氏力的作用使得壁面射流貼附在壓力側(cè)內(nèi)壁面,從而使得此區(qū)域具有極高的冷卻效率;相比于靶面轉(zhuǎn)彎角度,靶面轉(zhuǎn)彎半徑對冷卻特性的影響更顯著[23]。

在動葉前緣的冷卻上,相比于傳統(tǒng)的射流沖擊冷卻和旋流冷卻結(jié)構(gòu),壁面射流冷卻雖然可以提供更高的綜合冷卻效率,但是由于動葉前緣的內(nèi)外部曲率差別較大,內(nèi)壁面面積遠小于外壁面,而前緣滯止線位置又是熱負荷最高的區(qū)域,所以僅是依賴內(nèi)部冷卻難以滿足日益增長的渦輪進口燃氣溫度的要求,這就意味著有必要將壁面射流冷卻結(jié)合外部冷卻共同使用。由于壁面射流冷卻的獨特優(yōu)勢,又兼有單元化的結(jié)構(gòu)特點,其與氣膜冷卻相組合必然會產(chǎn)生不同于傳統(tǒng)沖擊冷卻和氣膜冷卻相結(jié)合的復合冷卻特性。

本文基于壁面射流冷卻簡化模型與傳統(tǒng)旋流冷卻、射流沖擊冷卻的效果比較以及各結(jié)構(gòu)參數(shù)影響關(guān)系已經(jīng)厘清的基礎(chǔ),采用數(shù)值方法進一步研究氣膜抽吸、射流雷諾數(shù)、氣膜孔位置、多孔抽吸等因素對壁面射流冷卻流動與換熱的影響機制。

1 幾何模型與數(shù)值方法

1.1 幾何模型

計算域示意圖如圖2所示,帶有氣膜孔的單通道壁面射流冷卻簡化模型如圖2(a)所示,主要包括供氣腔、射流孔、冷卻通道和氣膜孔4個部分。冷氣由供氣腔進入,在射流孔加速后分別由氣膜孔和冷卻通道流出。

壁面射流在前緣滯止區(qū)處具有沖擊冷卻兼旋流冷卻的特點,既有附壁射流特性,又有部分射流脫離靶面后再附著的現(xiàn)象,換熱系數(shù)高、換熱區(qū)域精確覆蓋前緣滯止線區(qū)域,這是壁面射流冷卻的典型特征。如圖2(b)所示,特征長度t=180 mm,射流孔寬度Wor=0.75t,射流孔長度Lor=1.0t,靶面轉(zhuǎn)彎角度α=60°,轉(zhuǎn)彎半徑R=0.75t,沖擊距離I=0.43t,通道高度為1t,供氣腔高度為2t、寬度為1.5t,一側(cè)壁面與射流孔外壁面在同一平面。所有氣膜孔孔徑均為0.5t,長度均為1.5t。

無氣膜孔如圖2(c)中結(jié)構(gòu)1所示,有氣膜孔的如結(jié)構(gòu)2～6所示,基于主流燃氣沖刷葉片前緣,且來流沖角會發(fā)生變化的實際情況,氣膜孔布置在前緣滯止線附近。結(jié)構(gòu)2是在滯止線處開孔,通道轉(zhuǎn)彎圓心與靶面圓弧段流向中點的連線為氣膜孔軸線,為氣膜抽吸壁面射流冷卻的典型結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)3為靠近前緣壓力側(cè)開孔結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)4為靠近前緣吸力側(cè)開孔結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)5為雙氣膜孔結(jié)構(gòu),即壓力側(cè)、吸力側(cè)開孔的組合形式。結(jié)構(gòu)6為3種氣膜孔結(jié)構(gòu),即壓力側(cè)、滯止線、吸力側(cè)開孔的組合形式,是前緣氣膜冷卻的一種理想形式。上述所有結(jié)構(gòu)中氣膜孔軸線均與射流孔外壁面垂直并交于一點。

1.2 邊界條件

表1列出了數(shù)值計算的邊界條件,工質(zhì)為空氣,其物性參數(shù)由相應的參數(shù)表插值得到。本文中射流雷諾數(shù)的范圍為10 000～40 000,除專門研究射流雷諾數(shù)影響外,其他部分的射流雷諾數(shù)均為30 000。射流孔、氣膜孔及通道各壁設(shè)置為500 W/m2的等熱流密度邊界,用于在壁面產(chǎn)生30 K左右的溫差。

表1 數(shù)值計算邊界條件

1.3 數(shù)值方法及驗證

本文采用商用CFD軟件ANSYS CFX求解 Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS)方程,所求解的基本方程如下:

連續(xù)性方程

(1)

動量方程

(2)

能量方程

(3)

附加變量可以表示為

(4)

壁面射流冷卻過程中,射流在完成沖擊后,貼附在彎曲靶面的流動形態(tài)與旋流冷卻有相似性,因而壁面射流冷卻兼有射流沖擊冷卻和旋流冷卻的特點,因此本文選取了文獻[24]的沖擊冷卻實驗和文獻[25]的旋流實驗以驗證本文所用的湍流模型，湍流模型驗證結(jié)果如圖3所示圖中Dj為射流孔直徑,r為旋流腔半徑。在驗證的4個湍流模型中,SSTk-ω模型的計算結(jié)果均與實驗結(jié)果吻合較好,因此選擇其開展后續(xù)研究。

本節(jié)進行了網(wǎng)格無關(guān)性驗證,采用四面體網(wǎng)格單元和棱柱邊界層單元相結(jié)合的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格剖分計算域,網(wǎng)格無關(guān)性驗證結(jié)果如圖4所示，圖中s′為流向坐標。棱柱層網(wǎng)格第一層厚度為0.01 mm,增長率為1.0,共30層,經(jīng)檢驗,所有結(jié)構(gòu)y+均小于1.0,滿足所選湍流模型的精度要求。共選取了5組網(wǎng)格進行驗證,靶面?zhèn)认蚱骄麪柦Y(jié)果如圖4(b)所示,以單元數(shù)最多的762萬網(wǎng)格為基準,不同網(wǎng)格計算時的相對誤差分布如圖4(c)所示,可知386萬網(wǎng)格結(jié)果的可信度較高,因此本文選取386萬網(wǎng)格進行研究,既滿足了網(wǎng)格無關(guān)性要求,又節(jié)約了一定的計算資源。

2 氣膜抽吸的干涉機理分析

2.1 氣膜抽吸效應

為研究氣膜冷氣出流的占比,定義氣膜流量比Fi為

(5)

式中:mf,i為第i個氣膜孔的流量;min為供氣腔進口流量。

總壓損失系數(shù)Cgtp定義為

(6)

圖5給出了通道展向50%截面的速度分布,從圖5可以看出,與無氣膜孔的分布情況對比發(fā)現(xiàn),有氣膜抽吸后,射流孔內(nèi)側(cè)的射流核心速度以及在圓弧段下游重新附著在靶面的附壁射流速度均有所下降。氣膜抽吸使得通道流量降低,彎頭部分的流向渦強度被削弱,因而射流高速層的形態(tài)受流向渦卷吸影響更小,因而其與低速流體間的剪切作用增強,分離區(qū)展向渦強度變大。

除流動結(jié)構(gòu)變化外,氣膜抽吸也影響了通道內(nèi)的壓力分布。通道展向50%截面的靜壓分布如圖6所示。在滯止區(qū)增設(shè)氣膜孔后,一方面導致由射流孔出流的冷氣流量增大,供氣腔的壓力降低;另一方面導致滯止區(qū)的面積減小,滯止區(qū)壓力降低。由射流孔流出的外側(cè)流體沿靶面直接流入氣膜孔,因而增加了兩處分離區(qū),即射流孔的孔入口內(nèi)側(cè)面和氣膜孔的入口處。

氣膜抽吸對壓力分布產(chǎn)生影響的同時也伴隨著流動損失發(fā)生變化。相比于無氣膜孔72.4%的總壓損失系數(shù),有氣膜孔結(jié)構(gòu)的降低到了67.9%,這是因為外側(cè)射流沖擊點的分離在增設(shè)氣膜孔后被削弱,雖然產(chǎn)生了新的損失來源即氣膜孔內(nèi)分離區(qū)的摻混損失,但由于下游通道內(nèi)的摻混損失隨流量降低而減少的程度更大,整體損失系數(shù)降低。

冷卻通道表面的努塞爾數(shù)分布對比如圖7所示,布置氣膜孔后,除了位于滯止線附近區(qū)域的換熱峰值增大之外,靶面的其他區(qū)域的換熱強度幾乎均有所下降。由于孔口邊緣處的小分離渦的擾動作用提高了靶面尤其是孔下游位置的湍流度,因而在氣膜孔入口附近區(qū)域產(chǎn)生強換熱區(qū)。位于頂面和底面的流向渦尺度由于抽吸作用影響而減小,換熱強度由此也被削弱。在靶面下游,努塞爾數(shù)分布呈現(xiàn)典型的附壁射流冷卻特征,表明氣膜抽吸會引起壁面射流向靶面貼附,從而降低了局部換熱系數(shù)。

2.2 射流雷諾數(shù)影響

表2給出了滯止線開孔結(jié)構(gòu)在不同射流雷諾數(shù)條件下的流動參數(shù)。在氣膜流量比方面,不同射流雷諾數(shù)條件下,氣膜抽吸的冷氣流量比始終維持在25%左右,這表明此計算模型中氣膜流量比與總的冷氣供氣量無關(guān)。在總壓損失方面,流動損失的絕對值隨雷諾數(shù)的增加而增加,但總壓損失系數(shù)由于總壓的增長并沒有呈現(xiàn)明顯的變化。

表2 不同射流雷諾數(shù)條件下的流動參數(shù)

在射流雷諾數(shù)對流動特性的影響方面,隨雷諾數(shù)的提高,除了速度有明顯的提高之外,流動結(jié)構(gòu)基本保持穩(wěn)定,因而整體壓力分布趨勢也基本一致。在換熱特性方面,整個靶面的側(cè)向平均努塞爾數(shù)分布也基本一致,其大小隨著射流雷諾數(shù)的增加而均勻地增加,相對于雷諾數(shù)為10 000的工況,雷諾數(shù)為40 000工況的換熱系數(shù)提高了120%～250%,其中氣膜孔處的換熱峰值提高了136%。

3 氣膜孔布置的作用機制分析

3.1 單孔位置影響

本節(jié)討論了不同氣膜孔位置對冷卻通道內(nèi)部流動及冷卻壁面的換熱影響,未考慮氣膜出流后在壁面的覆蓋和冷卻問題。不同氣膜孔位置條件下的展向50%截面的速度分布如圖8所示。壓力側(cè)開孔結(jié)構(gòu)中,氣膜流量比為9.6%,外側(cè)射流的抽吸加劇了前緣滯止區(qū)的回流,甚至使射流沖擊點向下游移動,非常不利于對高負荷的前緣滯止線進行有效冷卻。與具有25.2%氣膜流量比的滯止線開孔相比,吸力側(cè)開孔結(jié)構(gòu)的氣膜流量比為13.8%,同時在前緣區(qū)域的流動結(jié)構(gòu)更接近無氣膜結(jié)構(gòu)的半附壁、半沖擊射流形態(tài),因而在沖擊點位置的射流具有較大的流向動量,不利于氣膜出流。吸力側(cè)抽吸增加了流向渦的渦量,一定程度上破壞了高速射流的層狀形態(tài),降低了其與低速流體間的剪切作用,使得射流內(nèi)側(cè)的分離渦強度大大降低。

氣膜出流的流動狀態(tài)取決于當?shù)氐膲毫μ荻确植?圖9給出了不同氣膜孔位置條件下展向50%截面的靜壓分布和總壓損失系數(shù)。

從圖9可以看出,壓力側(cè)開孔位置為射流高速流動的低壓區(qū),與氣膜孔出口壓力形成的壓差較小,不利于氣膜出流,在實際葉片中有可能會發(fā)生主流入侵現(xiàn)象。滯止線開孔位置位于射流的直接沖擊區(qū)域,屬于整個通道內(nèi)壓力最高點,因而流量大,孔內(nèi)分離區(qū)小,能夠形成孔內(nèi)對轉(zhuǎn)渦。吸力側(cè)開孔位置同樣處于附壁射流高速流動的低壓區(qū),而抽吸發(fā)生在射流沖擊靶面圓弧段之后,因而其前緣滯止壓力最高,同時在氣膜孔進口處的分離點位置存在局部高壓。由于動葉吸力側(cè)壓力較低,氣膜孔兩側(cè)壓差大,吸力側(cè)開孔相對壓力側(cè)更具實際意義。

由氣膜孔影響所形成的分離流動損失,但氣膜出流降低了通道內(nèi)的冷氣流量,致使通道內(nèi)的流動損失降低,因而不同位置、不同氣膜流量比的氣膜抽吸結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的損失特性是不同的。由圖9可以看出,壓力側(cè)開孔時,其總壓損失系數(shù)低于壓力側(cè)開孔的78.92%,低于無氣膜孔結(jié)構(gòu)的72.4%,但略高于滯止線開孔的67.89%。吸力側(cè)開孔結(jié)構(gòu)下全部射流流體都經(jīng)過劇烈回轉(zhuǎn),額外增加了氣膜孔內(nèi)摻混,因此其總壓損失系數(shù)高于其他所有結(jié)構(gòu)。

圖10給出了展向50%截面湍動能分布,可以詳細分析氣膜孔位置對流動損失機理的影響規(guī)律。在壓力側(cè)開孔結(jié)構(gòu)中,冷氣進入氣膜孔所形成的分離區(qū)造成了新的壓力損失,而抽走外側(cè)射流破壞了靶面圓弧段的附壁射流,在彎頭區(qū)域的復雜二次流提高了當?shù)乜倝簱p失,但其在射流進入冷卻通道前就抽走了部分冷氣,從而使得通道雷諾數(shù)下降,降低了下游通道內(nèi)的摻混損失。因此,從結(jié)果上看,壓力側(cè)開孔降低了整體總壓損失系數(shù)。滯止線開孔結(jié)構(gòu)的25%流體沒有經(jīng)歷回轉(zhuǎn)過程就由氣膜孔被抽吸走了,因而流動損失最小。在吸力側(cè)開孔中,靶面圓弧段起點的二階不連續(xù)位置處的小回流區(qū)局部損失較大,當射流受靶面圓弧段約束進入氣膜孔時保持了較高的射流動量,因而在孔內(nèi)形成了顯著的分離渦損失。同時,對于吸力側(cè)開孔結(jié)構(gòu),冷氣在經(jīng)過圓弧段靶面回轉(zhuǎn)后,集中在外側(cè)的射流具有更高的動量,并且在氣膜孔孔口處分離后,其中一部分射流繼續(xù)以較高動量沿冷卻通道壁面流動,通道內(nèi)側(cè)分離區(qū)損失大幅增加,從而使得吸力側(cè)開孔結(jié)構(gòu)整體流動損失最大。

圖11給出了靶面努塞爾數(shù)分布。對于壓力側(cè)開孔結(jié)構(gòu),其孔口回流在氣膜孔下游形成了強換熱區(qū),靶面圓弧段的大量回流也提高了流向渦的強度,使得靶面強換熱區(qū)被分為上下兩個部分。滯止線開孔的強換熱區(qū)則局限在氣膜孔四周,在圓弧段下游的二階不連續(xù)處存在一個換熱強度略高的區(qū)域,可以觀察到3股射流對壁面進行冷卻的位置,其下游的換熱系數(shù)分布比較均勻。吸力側(cè)開孔則由于其靶面圓弧段內(nèi)的附壁射流被破壞,二次流結(jié)構(gòu)復雜,同時當?shù)卮嬖谕牧鞫雀叩男』亓鲄^(qū),形成了覆蓋整個圓弧段的強換熱區(qū),而吸力側(cè)氣膜孔的抽吸作用為靶面努塞爾數(shù)提高了第二個峰值,使得下游努塞爾數(shù)提高，換熱增強。

3.2 多孔抽吸的冷卻特性

實際動葉前緣一般需要多排氣膜孔交叉布置,多孔抽吸的影響首先體現(xiàn)在抽吸冷氣的流量比上,表3給出了不同氣膜孔布置方式下各位置氣膜孔抽吸流量比以及總氣膜流量比。由于入口位置處于射流高速低壓區(qū),所以在多孔結(jié)構(gòu)中壓力側(cè)氣膜孔流量比始終是最低的,滯止線氣膜孔憑借其入口位置優(yōu)勢具有最大的抽吸流量比。吸力側(cè)氣膜孔的抽吸流量比居中,與雙孔相比,三孔中下降了31.9%。

表3 不同結(jié)構(gòu)的氣膜流量比

圖12給出了50%截面速度分布,可以詳細觀察壁面射流的形態(tài)。相比于單孔結(jié)構(gòu),雙孔結(jié)構(gòu)的壁面射流呈現(xiàn)明顯的對轉(zhuǎn)特征,非附壁射流層狀結(jié)構(gòu),主要體現(xiàn)在其低速區(qū)速度過低,而其氣膜流量比低于單孔結(jié)構(gòu),說明冷氣以對轉(zhuǎn)角渦的形態(tài)存在于通道的頂面和底面附近。另外,雙孔結(jié)構(gòu)的氣膜孔流量都集中在孔內(nèi)的背風側(cè),迎風側(cè)則都存在大面積的低速回流區(qū)。三孔結(jié)構(gòu)的氣膜出流則主要集中在滯止線氣膜孔,與單孔結(jié)構(gòu)相比,其冷氣出流更多,在吸力側(cè)下游的壁面射流速度明顯降低,通道內(nèi)的低速回流區(qū)面積大大增加,回流展向渦的強度和尺度都顯著提高,有利于內(nèi)壁面冷卻。

流場特性受壓力梯度分布的影響很大,圖13給出了相同截面上的靜壓分布。由圖13可以看出,與單孔結(jié)構(gòu)相比,雙孔結(jié)構(gòu)的靶面圓弧段滯止壓力明顯升高,兩個氣膜孔的背風側(cè)分離點均出現(xiàn)了局部高壓,有利于提高當?shù)氐膿Q熱系數(shù),其通道內(nèi)側(cè)的低壓區(qū)范圍也隨著氣膜抽吸位置的增加而加強。三孔結(jié)構(gòu)由于抽吸孔較多,尤其是滯止線氣膜孔入口正對射流孔,所以整體靜壓較低。各個孔內(nèi)的壓力分布情況與其對應單孔結(jié)構(gòu)的壓力分布基本一致,說明壁面射流結(jié)構(gòu)氣膜抽吸孔間的干涉作用并不明顯。

氣膜孔數(shù)量的增加往往會導致流動損失的增加,圖14給出了3個結(jié)構(gòu)的總壓損失系數(shù)。由圖14可以看到:雙孔結(jié)構(gòu)的總壓損失系數(shù)相比單孔結(jié)構(gòu)增加了10.6%,相比無氣膜孔結(jié)構(gòu)則增加了3.6%;三孔結(jié)構(gòu)的總壓損失系數(shù)相比單孔結(jié)構(gòu)增加了6.9%,與無氣膜孔結(jié)構(gòu)基本持平。

圖15給出了不同氣膜孔數(shù)量條件下50%展向高度截面的湍動能分布。由圖15可以看出:雙孔結(jié)構(gòu)的氣膜孔內(nèi)均存在摻混損失,前緣靶面的分離渦也更加明顯,但是通道內(nèi)的摻混強度明顯低于單孔結(jié)構(gòu);相比于雙孔結(jié)構(gòu),三孔結(jié)構(gòu)雖然增加了新的氣膜孔內(nèi)損失,但是其氣膜孔內(nèi)和其下游通道內(nèi)的流動摻混比前者都要弱,且新增加的損失要小于降低的損失。因此,三孔結(jié)構(gòu)的總壓損失系數(shù)要比雙孔結(jié)構(gòu)小。

圖16給出了沿流動方向的靶面?zhèn)认蚱骄麪枖?shù)分布對比。由圖16可以看到:盡管單氣膜孔結(jié)構(gòu)在靶面大多數(shù)位置的努塞爾數(shù)都是最低的,但其在前緣滯止線位置處產(chǎn)生了最高的換熱系數(shù);對于雙氣膜孔結(jié)構(gòu),在靶面下游提供了最高的努塞爾數(shù),然而其對前緣區(qū)域的冷卻最差,遠小于其他兩種結(jié)構(gòu);三氣膜孔結(jié)構(gòu)則兼具在滯止線處精確冷卻和對靶面上下游提供充分冷卻的特點,主要缺點在于對s′/t>5的遠下游區(qū)域冷卻效果稍差,但這里對應的葉片吸力側(cè)熱負荷相對滯止線較低。因此,從內(nèi)部冷卻的角度出發(fā),三氣膜孔能夠提供最平衡的冷卻效果,但同時要付出高流動損失的代價。

4 結(jié) 論

本文通過建立氣膜出流條件下的壁面射流氣熱性能數(shù)值分析模型,研究了氣膜出流、射流雷諾數(shù)、氣膜孔位置等因素對帶氣膜抽吸的壁面射流冷卻特性的作用機制,可得如下主要結(jié)論。

(1)由于氣膜抽吸的作用,在換熱特性方面,氣膜孔附近的換熱系數(shù)增大,而靶面下游的換熱強度被削弱；在流動特性方面,流動結(jié)構(gòu)穩(wěn)定并呈現(xiàn)附壁射流特征,湍流度降低,流動損失降低,整體來看,流動損失系數(shù)降低了4個百分點。

(2)隨著雷諾數(shù)的增大,流動結(jié)構(gòu)沒有明顯變化,在氣膜孔出口壓力與通道出口壓力均為大氣壓條件下,氣膜流量比在射流雷諾數(shù)為10 000～40 000范圍內(nèi)維持在25%左右。同時,整個靶面的側(cè)向平均值隨著射流雷諾數(shù)的增加而均勻增加,相對于雷諾數(shù)為10 000工況,雷諾數(shù)為40 000的換熱系數(shù)提高了120%～250%,其中氣膜孔處的換熱峰值提高了136%。

(3)氣膜孔位置對壁面射流冷卻特性最主要的影響是改變了氣膜流量比。在本文計算工況下,壓力側(cè)、滯止線、吸力側(cè)開孔結(jié)構(gòu)的氣膜流量比分別為9.6%、25.2%、13.8%,與之對應的總壓損失系數(shù)分別為70.6%、67.9%、78.9%,氣膜抽吸造成的通道流量降低能夠減小下游的流向渦損失,但同時會在氣膜孔內(nèi)產(chǎn)生摻混損失。在換熱特性方面,氣膜流量比越大,整體換熱強度降低,3種結(jié)構(gòu)的換熱峰值均處于氣膜孔位置,因此滯止線處開孔最有利于對前緣滯止區(qū)的精確冷卻。

(4)在多孔抽吸特性方面,每個氣膜孔的抽吸作用均會在一定程度上提高下游靶面的湍流度和換熱強度,但整體的冷卻水平依然由氣膜流量比主導。氣膜孔增加后,氣膜孔內(nèi)的摻混損失增加,但通道內(nèi)的流動損失降低,三氣膜孔結(jié)構(gòu)的整體總壓損失系數(shù)與無氣膜孔結(jié)構(gòu)持平?？傮w來看,氣膜流量比最低的雙氣膜孔結(jié)構(gòu)換熱強度最高,三氣膜孔次之,單氣膜孔最低。