大曲率壁面氣膜槽與側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，側向擴張孔冷卻效率起始段明顯劣于氣膜槽，且后段貼壁優勢不明顯;但當R增大到20mm以上時，側向擴張孔氣膜貼壁性好，有效覆蓋距離明顯增大，優于傳統氣膜槽。因此根據回流燃燒室小彎管結構特點，側向擴張孔可與氣膜槽搭配使用。

關鍵詞：回流燃燒室;大曲率壁面;氣膜槽;側向擴張孔;冷卻效率 氣膜有效覆蓋情況。

1 引言

航空發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。回流燃燒室中特有的小彎管結構，屬于大曲率型面，傳統冷卻氣膜容易被吹離，造成小彎管壁溫過高。有研究發現[1][2]，側向擴張孔形成的冷卻氣膜具有較好的貼壁性，因此本文通過數值模擬對比研究了傳統氣膜槽與側向擴張孔兩種冷卻方式的優與劣。

文獻[3]數值研究一種雙出口的氣膜冷卻孔，得到不同次孔偏轉角對應的最佳吹風比，綜合考慮后得出高吹風比時，次孔偏轉角40°時冷卻效率最佳。文獻[4]數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，發現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-發散組合冷卻結構的冷卻特征，得到了不同氣動參數對換熱系數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化，得到孔長=90mm，流向擴張角=20°，側向擴張角=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化及平板冷卻效率研究，側向擴張孔在氣膜覆蓋性的優勢對于回流燃燒室大曲率壁面冷卻具有研究價值。因此本文通過數值計算研究了三種曲率半徑下（R=15、20、25mm）傳統氣膜槽與側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域面積保持一致。其中，側向擴張孔擴張角為25°，傾角為20°。研究方案如表1所示，側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開展數值研究，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網格劃分及無關性驗證

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

3.3 邊界條件

主次流進口均設為質量流量進口，次流出口為壁面，主流出口設為壓力出口。計算域兩側設為周期性邊界，由于計算工況下氣流最大馬赫數小于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，但該優勢只能持續到S/D=10mm處，隨著冷氣量的增大，優勢略有增加;而側向擴張孔形成了冷卻氣膜覆蓋距離要優于氣膜槽，壁面溫度梯度小，且隨著單位面積冷氣量的不斷增加，中段和后段的優勢越發明顯。但當R=15mm時，目標冷卻區域變短，增大單位面積冷氣量，對側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勢，優勢距離從S/D=5增加到了S/D=17作用，占目標冷卻區域的一半左右。

參考多個經典回流燃燒室小彎管結構，發現從內環到小彎管過度部分常使用曲率半徑較小（R<20mm）的型面轉接，與大彎管共同完成流道轉折，之后大部分區域為一段或多段曲率半徑較大（R）的型面轉接，直至燃燒室出口。因此根據以上計算結果，可以將氣膜槽與側向擴張孔搭配使用，在小彎管起始段，設計氣膜槽，氣膜孔孔徑及間距可根據目標冷卻面積確定，在氣膜槽冷氣優勢區域結束時，布置一到兩組側向擴張孔銜接，以此在整個小彎管壁面上形成致密的冷卻氣膜。

5 結論

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

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

（3）根據回流燃燒室小彎管結構特點，可將側向擴張孔與氣膜槽搭配起來使用。

參考文獻

[1]HILDEBRANDT T， GRANZERT t， FOTTER L. Systematic Experimental and Numerical Investigation on the Aerodynamics of a Film Cooled Turbine Cascade with Variation of the Cooling Hole Shape[C]. ASME2000-GT-298，2000.

[2]SAUMWEBER C， SCHULZ A. Free Stream Effects on the Cooling Performance of Cylindrical and Fan Shaped Cooling Holes[C]. ASME GT2008-51030， 2000.

[3]李廣超， 吳 東， 張 魏等. 不同吹風比下雙出口孔射流氣膜冷卻數值模擬計算[J]. 動力工程學報， 2012， 32（5）.

[1]楊曉軍， 張驍峰， 劉智剛. 扇形孔氣膜冷卻效果的數值模擬[J]. 機械工程與自動化， 2017，2

[2]田 美， 馮曉星， 石蕊等.氣膜-發散組合冷卻結構換熱特性的實驗研究[J].推進技術， 2018， 39（8）.

[3]WANG， C.， J. ZHANG and J. ZHOU， Data mining optimization of laidback fan-shaped hole to improve Film Cooling performance[J]. Journal of Central South University， 2017， 24（5）.