航空發動機渦輪葉片尾緣楔形通道交錯肋冷卻實驗

為了提高燃氣輪機循環的熱效率，渦輪前進口溫度被不斷提高，迫切需要高效先進的渦輪葉片冷卻技術.現有的冷卻技術主要分為外部冷卻技術和內部冷卻技術.外部冷卻主要依靠氣膜冷卻，而內部冷卻技術主要包括沖擊冷卻和強化對流冷卻.交錯肋通道冷卻技術起源于蘇聯，目前被俄羅斯和烏克蘭廣泛沿用.該結構不僅具有極高的換熱能力，而且能夠很好地保持葉片的結構強度，近年來引起了國內外學者的關注.

文獻[2]使用瞬態液晶(TLC)測試技術和熱紅外成像技術研究了交錯肋子通道寬度對整體換熱的影響，研究表明通道越窄，氣流的轉角效應帶來的換熱增強效果越明顯.文獻[3]運用實驗研究了靜止和旋轉條件下徑向流動配置交錯肋通道的傳熱和流阻特性，研究發現低雷諾數下旋轉數對交錯肋通道換熱影響不明顯.文獻[4]用鋅熔法對中弦區和尾緣布置交錯肋結構的換熱和流阻特性進行了測量，結果表明肋傾角為45°時的換熱增強比最佳.文獻[5]利用瞬態液晶測試技術實驗研究了布置在尾緣區域的伴有尾緣出流的交錯肋冷卻結構內局部換熱系數，發現出流孔使得通道換熱均勻性降低.

文獻[6-7]采用水蒸氣凝結法分別對側邊開槽的交錯肋和尾緣段帶隔板的交錯肋的整體流動傳熱特性展開了實驗研究，結果表明相比于不開槽交錯肋通道，側面開槽交錯肋換熱明顯提高阻力系數明顯減小，尾緣帶波紋形隔板交錯肋綜合換熱效果優于擾流柱結構.文獻[8]對含有凹陷渦發生器的交錯肋結構進行了穩態實驗和仿真，結果表明在交錯肋中流動的彎折效應、上下通道流體的摻混作用和流體對肋壁的沖擊作用是交錯肋結構強化傳熱的主要原因.模型采用U型底部優化底部流動，同時應用凹陷渦發生器控制擾流，交錯肋結構的綜合傳熱性能得到了大幅提升.

在現有的研究中，大多數學者關注交錯肋結構在葉片中弦區域的應用，而對交錯肋在尾緣區域的研究較少.帶側邊進氣道的交錯肋結構在葉片的楔形尾緣區域的流動傳熱研究更是存在空白.在葉片中的應用部位不同交錯肋的進氣方式有很大不同，同時尾緣通道存在漸縮特性，這些都會對流動換熱特性產生影響.

本文研究的獨特性在于，利用瞬態液晶測試技術對渦輪葉片尾緣具有側邊進氣的楔形通道交錯肋冷卻結構湍流傳熱開展實驗研究，獲得了精細的上、下主表面的傳熱系數分布以及通道內的壓力損失特性.該研究可為交錯肋冷卻結構在渦輪葉片尾緣的應用提供實驗基礎.

令Bk表示第k個發送線圈在節點S處產生的磁通密度,θk表示S與xyz軸的極角。當距離d遠大于4倍的線圈半徑時,S處的磁通密度為

1 實驗研究

1.1 實驗測試裝置

實驗測試裝置如圖1所示，旋渦式氣泵將空氣吸入風洞入口，渦街流量計測量記錄流量大小.隨后，空氣進入穩壓箱和絲網加熱器，溫度獲得實驗所需的階躍式上升.熱空氣流入一段光滑通道后充分發展，接著經過90°轉角進入楔形通道交錯肋的實驗核心區，而后通過尾緣劈縫出口段流出實驗核心區.交錯肋被安置在實驗核心區，并用瞬態液晶處理上下表面.核心區段通道入口和出口布置有測壓孔和測溫孔，使用壓力掃描閥和NI(National Insturments)數據采集系統記錄壓力以及溫度數據.在實驗時，同步記錄上下板面的瞬態液晶顏色變化過程、出入口氣流壓力和氣流溫度.實驗段進出口處的溫度范圍為43～47 ℃.隨著流量變化，子通道入口平均流速范圍為2.52～10.27 m/s，子通道出口平均流速范圍為5.89～24.01 m/s.

當=17 600時，由實驗得到的上、下主表面努塞爾數分布對比如圖8所示.從圖8中可發現，上、下主表面換熱差異顯著，下表面換熱明顯優于上表面.這主要是入口氣流折轉角不同而引發流量分配不同而導致的，下主表面子通道流量高于上主表面子通道.上主表面高換熱段集中在靠近出口的底部區域；下主表面高換熱區域主要集中在靠近入口的中部區域和頂部氣流轉折的下游區域.

1.2 交錯肋通道

楔形通道交錯肋模型如圖2所示.為了滿足拍攝和安裝條件，交錯肋通道采用透明的亞克力材料分別加工上下板面，在實驗時壓緊密封拼接.模型的幾何無量綱數在真實葉片尾緣冷卻單元無量綱幾何參數范圍內，流動參數通過無量綱雷諾數與真實葉片工況進行相似模化，雷諾數定義將在下文中詳細描述.

參數示意如圖3所示，其中楔形通道高度方向漸縮傾角為10°；為交錯肋總長度；為交錯肋總寬度；、分別為流道入口、出口處高度；為交錯肋寬度；為流道寬度；為肋傾角.具體參數取值如表1所示，其中為子通道中截面平均水力直徑；為潤濕面積；為子通道的總個數.

實驗得到了當=4 320，7 240，10 200，13 200，17 600 時，上下主表面的努塞爾數分布及均值，如圖9所示.從努塞爾數分布上看，變化

1.3 實驗原理及實驗過程

(1)

式中：為壁面溫度，可通過拍攝液晶的變色過程求解獲取；為流體溫度，通過熱電偶記錄獲取；為壁面初始溫度；為對流換熱系數；為密度；為比熱容；為導熱系數、、等物性參數通過查表獲取.由于在實驗過程中無法保證與來流空氣溫度是階躍變化的，所以將來流空氣溫度根據時間步離散化，引入Duhamel齊次化原理將式(1)簡化如下：

-=

式中 ：為空氣質量流量;=147 mm，為楔形通道高度中截面上子通道的流通面積.

(2)

式中：為離散后的第個時間步, 下標為離散后的時間步序號.對拍攝的試件表面每一個像素點進行時間步疊加迭代求解，而后求取檢測面上的換熱系數分布.

實驗前先對瞬態液晶進行標定，在銅板的表面噴涂黑漆，以黑漆作為瞬態液晶顯色的背景.根據文獻[12]，瞬態液晶厚度為17 μm時，顯色測溫效果最佳.計算好瞬態液晶的劑量之后將其稀釋并均勻噴涂在銅板上.銅板的背面開有熱電偶孔并且插入熱電偶.用加熱膜加熱銅板到特定溫度.以熱電偶記錄的銅板溫度為基準，采用G通道峰值法對瞬態液晶進行標定.

實驗時對絲網加熱器的加熱功率進行預調整，使得瞬態液晶從開始變色到完全變色的時間接近90 s.同步記錄下熱電偶的溫度數據和瞬態液晶的變色錄像，分別對應測點的氣流溫度和交錯肋的主表面溫度.壓力測點布置如圖4所示，在實驗核心段共布置18個測點，交錯肋的進出口各5個.14號測點為參考測點，其他測點與14號測點作差得到相對壓力值.實驗以25 Hz頻率采集壓力數據，并取時均值作為最終測得的壓力數據.

1.1.6闡明蛋白質通常由20種氨基酸分子組成，它的功能取決于由氨基酸序列及其形成的空間結構，細胞的功能主要由蛋白質完成

2 實驗數據處理

2.1 實驗參數

子通道中截面雷諾數根據楔形通道高度中截面上子通道水力直徑定義：

任務績效容易受到感恩奉獻、謙虛沉穩、包容寬恕等人際性心理資本的積極影響，其中任務績效容易受到尊敬禮讓的影響，但是影響不明顯；而針對工作奉獻來講，尊敬禮讓、包容寬恕、感恩奉獻的影響較大；從整體上來看，針對人際促進來講，人際型心理資本各個維度都能夠呈現出較強的正向影響，其中對人際促進影響最大的為感恩奉獻[5]。

(3)

式中：為通道中截面空氣流速；為空氣動力黏度，其與密度均基于楔形通道高度中截面空氣的平均溫度，通過進出口溫度插值得到.

為方便實驗中的測量計算，式(3)可以簡化為

(4)

(f,-f,-1)

努塞爾數的定義如下：

(5)

式中：通過流體的溫度數據以及液晶變色過程數據得到；為空氣熱導率.

給予西藥治療，予磷酸苯丙哌林片（每片含磷酸苯丙哌林26.4 mg，相當于苯丙哌林20 mg）26.4 mg，3次/d口服；予鹽酸氨溴索口服溶液（規格為10 mL：30 mg/支）10 mL，3次/d口服。治療1周為1個療程，共2個療程。

并未影響努塞爾數的整體分布趨勢.對于上主表面，高換熱段集中在靠近出口的底部區域；對于下主表面高換熱區域集中在靠近入口的中部區域和頂部氣流轉折的下游區域.交錯肋上、下主表面傳熱差異顯著，下主表面平均努塞爾數高于上主表面30%以上.上、下通道之間的交界面處存在強烈的質量交換作用，上、下主表面間斷性的高換熱區與上下通道交界面呈現對應關系.

2.2 誤差分析

本實驗參考文獻[14]使用的誤差分析方法對實驗誤差進行分析.標定過程為穩態過程，實驗中標定校準后的熱電偶以及瞬態液晶測量溫度的誤差均為±0.5 ℃ ，而渦街流量計、實驗件(加工)、壓力掃描閥精度分別為1.5%、1%以及1.5%.時間項誤差為±0.2 s，熱電偶以及瞬態液晶隨溫度響應迅速，不考慮其動態響應過程.采用誤差傳遞的計算方法得到：子通道中截面雷諾數最大誤差為±2.1%，努塞爾數的最大誤差為±6.7% .

3 結果與討論

3.1 換熱分析

當=17 600 時，獲取的上主表面努塞爾數分布細節如圖6所示.流體在入口經過35°折轉角之后流入子通道.編號1～5的通道末端是出口，一部分流體通過交錯肋上下通道交界面流出，另一部分直接流向出口.針對2～5號通道，流動方向的左側肋壁相比右側換熱較強，這是因為來自下表面通道的流體對其存在沖擊作用.楔形通道的高度隨著流動漸縮，平均流速會增加，這使得壁面的換熱也逐漸加強.頂部及根部的子通道盡頭會接觸到壁面，因此氣流在此處發生折轉產生很強的二次流，從通道6～9可以看出折轉強化了換熱.且由于通道的漸縮，加速的流體在折轉情況下會產生更強的二次流，更進一步強化了通道末端的傳熱.通道10～13內出現間斷性的換熱增強，這是因為這些通道的流體全部來源于下部子通道，而上、下通道的折轉角不同，通道內流體的壓力變化也不同.上主表面的通道10～13與下主表面的中間主流通道直接相通，因此此處壓力梯度較大.同時由于通道高度漸縮，流體速度沿通道方向逐漸增強，所以流體對壁面的沖擊作用更強.方框中展示了上主表面通道1以及通道10～13換熱間斷性增強的細節.由于通道高度漸縮，來自下主表面的流體越過上下通道交界面并沖擊上主表面肋壁，所以此處換熱得到了增強.

當=17 600時，下主表面的努塞爾數分布如圖7所示.從2～6通道的努塞爾數分布可以明顯看出，下主表面出現了大片的高換熱區域.這是由于下主表面通道的來流折轉角比上主表面更大，所以入流后的轉向沖擊作用更加明顯.同時由于上下子通道來流折轉角的差異，上下子通道流體在交界面處發生了劇烈的質能交換.這種擾動使得下子通道換熱得到增強(下子通道主表面換熱高于上主表面子通道主表面30%以上).這在7～12號通道中更加明顯，從方框中可以看到下主表面的高換熱區間斷出現，這與交界面的出現一一對應.同時由于高度漸縮帶來的流速增加，10～12號通道的擾動也更明顯，努塞爾數大幅提高.

高壓與低壓是普通人的稱呼，在醫學上稱為收縮壓與舒張壓。對應的是心臟收縮期血液對血管壁的最高壓力值和心臟舒張期血管壁對血液的最低壓力值。在心臟收縮射血時，整個動脈系統就好比一個氣球一樣被拉伸膨脹容納心臟射出的血液，這時候的最大壓力是收縮壓。當心臟收縮時，主動脈瓣關閉，動脈系統又靠自己的彈性回縮擠壓血液繼續前行，這時的最低壓力值就是舒張壓。收縮壓與舒張壓彼此往復，血液在它們共同推動下而循環不息。

通過本文的分析我們可以知道的是，工程項目的施工進度管理與質量管理所涉及到的內容是多個方面的，為了讓項目的質量以及施工進度得到保障，必須多方面進行協調，讓企業的資源配置達到最后。對工程質量進行全面強化，必然要從各個環節入手，讓各個環節的負責人員對施工現場的質量管理以及進度管理的重要性有更加清楚的認識，將施工目標進行科學的分解，從而對施工內容以及分工進行更為合理的分配，讓其得到落實，最終讓施工企業的整體管理水平得到較大的提升。

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鑒于藥品行業的特殊性，在政府全面放開藥品定價的當下，如何構建完善的藥品價格壟斷規制框架、在兼顧各方利益的同時保障藥品行業平穩有序發展，是當前最需要探索的課題。

圖5中虛線框部分是照相機的拍攝區域，上、下表面分別代表了渦輪葉片的壓力面和吸力面.在數據處理中肋根位置不計入平均努塞爾數計算，后處理過程將肋根位置去除.

其他病毒感染：確診或疑似皰疹病毒或水痘-帶狀皰疹病毒感染導致急性肝衰竭的患者，應使用阿昔洛韋（5～10 mg/kg，1次/8 h，靜脈滴注）治療，且危重者可考慮進行肝移植（Ⅲ）。

(6)

(7)

圖11對比了尾緣楔形通道交錯肋、楔形通道交錯肋以及轉折通道交錯肋在不同的上下面平均努塞爾數.3種通道的平均努塞爾數均隨的增加而增加.對于<11 000，楔形通道交錯肋和轉折通道交錯肋的平均努塞爾數均高于尾緣楔形通道交錯肋.對于>11 000，尾緣楔形通道交錯肋平均努塞爾數高于轉折通道交錯肋.

3.2 壓降分析

實驗得到了楔形通道交錯肋冷卻前后的壓力損失，將其與楔形通道針肋冷卻進行比較，如圖13所示，其中：Δ為實驗段前后壓降.隨著入口雷諾數的增加，交錯肋前后壓降Δ快速增大，在=81 000 時(=0.071 kg/s)，交錯肋前后壓降達到了 1 862 Pa.在實驗范圍內，交錯肋壓降是針肋的5～7倍.

為了對楔形交錯肋通道的綜合換熱性能進行評估，參考文獻[18]定義楔形通道交錯肋冷卻相比楔形通道針肋冷卻綜合熱性能強化因子為

進了房間，思雨便一頭撲到床上，再也沒了動靜。小林經理也覺得應該讓他安靜地休息一下會好些。小林經理將房間門反鎖好就又去忙去了。

(8)

式中：帶有LW下標的參數為交錯肋通道的流動或傳熱參數；帶有NR下標的參數為針肋通道的流動或傳熱參數.

圖14比較了兩種結構的綜合換熱性能.盡管交錯肋壓力損失更大，但由于其換熱面積比針肋高出107.4%，所以仍將比楔形通道針肋冷卻增加約66%的綜合換熱性能.

4 結論

本文針對適用于渦輪葉片尾緣的交錯肋冷卻通道開展了瞬態液晶測試實驗.在子通道中截面雷諾數在 4 320～17 600 內，獲取了楔形通道交錯肋主表面的傳熱分布和壓力數據，得出以下結論.

其中：ε1為觀測誤差u為控制輸出；b0為補償因子；β11,β12,β13是改進型ESO的增益；α1,α2,α3為非線性因子。一般取α1=0.5,α2=0.25,α3=0.125；b0是補償因子的估計值，一般取：b0=2.485；δ是濾波因子，一般取δ=0.01[10]。

(1) 轉折楔形通道交錯肋上、下主表面的換熱存在明顯的差異.上、下通道交界面處存在強烈的質量交換作用.上、下主表面間斷性出現高換熱區，與上下通道的交界面呈現對應關系.

(2) 不同子通道中截面雷諾數條件下，下主表面平均努塞爾數比上主表面均高出30%以上.平均努塞爾數隨子通道中截面雷諾數增大而增大.在試驗范圍內，楔形通道交錯肋換熱系數高出楔形通道針肋結構約46%.

(3) 隨著入口雷諾數增加，交錯肋壓降迅速增長.在實驗范圍內，楔形通道交錯肋壓降是楔形通道針肋的5～7倍，但交錯肋換熱面積高出針肋107.4%，綜合換熱性能仍比楔形通道針肋冷卻高出約66%.