曲面雙層壁結構的內外復合流動及綜合冷卻特性數值研究

摘要：針對雙層壁在曲面條件下的內、外流動與冷卻耦合特性不明晰的問題，在3種典型冷氣吹風比0.4、0.6和0.8下，采用共軛傳熱數值模擬方法及實驗驗證，研究了平面和凹、凸曲面雙層壁的內、外流動相互影響規律和綜合冷卻特性。結果表明，曲面顯著改變了雙層壁的孔內入侵、沖擊腔室橫流和外壁冷氣貼壁特性。低吹風比下，凹面雙層壁的氣膜孔出流面積最大，沖擊駐點區域的冷氣橫流強度和換熱效果顯著提升，外壁平均綜合冷效能夠達到0.54；凸面雙層壁的下游氣膜冷卻和沖擊冷卻有所增強，同時主流入侵能夠到達氣膜孔下部；高吹風比下，凹面雙層壁氣膜孔下方冷氣出流區的二次渦面積最大，出射角增加導致氣膜孔下游冷卻效率略低；凸面雙層壁沖擊腔內冷氣向上游回流最弱，在沖擊腔內獲得最強的橫流累積效果，凸壁面平均綜合冷效在第4排孔能達到0.73。研究結果對于葉片等曲面部件的雙層壁結構布局設計具有指導意義。

關鍵詞：曲面雙層壁；流動交互；氣膜冷卻；沖擊冷卻

中圖分類號：TK474.7 文獻標志碼：A

DOI：10.7652/xjtuxb202502006 文章編號：0253-987X（2025）02-0050-11

Numerical Investigation of Internal and External Flow Interaction and

Overall Cooling Characteristics of Curvature Double-Wall Structures

ZHANG Kaiyuan， LI Zhiyu， LI Zhigang， LI Jun

（School of Energy and Power Engineering， Xi’an Jiaotong University， Xi’an 710049， China）

Abstract：To address the unclear internal and external flow interaction and cooling characteristics of curvature double-walls， the conjugate heat transfer numerical simulation method with experimental validation was used in this paper， and the internal and external flow interaction and overall cooling characteristics of planar， concave， and convex double-wall structures were compared under three typical blowing ratios （0.4， 0.6 and 0.8）. The study analyzed the mutual influences of internal and external flows in curvature double-wall structures and revealed the overall cooling characteristics resulting from the combined effects of internal and external flows. The results show that curvature feature significantly changed the characteristics of hole ingestion， impingement chamber crossflow， and outer wall attachment in double-wall structures. At low blowing ratios， the concave double-wall structure had the largest film hole outflow area， with significantly enhanced crossflow intensity and heat transfer in the impingement stagnation region. The averaged overall cooling effectiveness of the outer wall can reach 0.54. The convex double-wall structure showed enhanced downstream film cooling and impingement cooling， while mainstream ingestion can reach the lower side of the film holes. At high blowing ratios， the concave double-wall structure had the largest secondary vortex area in the coolant outflow region below the film holes. The increased injection angle resulted in slightly lower cooling effectiveness downstream of film holes. The convex double-wall structure had the weakest upstream backflow in the impingement chamber， thereby achieving the strongest crossflow accumulation effect. The averaged overall cooling effectiveness of the convex wall surface can reach 0.73 at the fourth row holes. This study can provide insights for the design of double-wall structural layouts in curved components， e.g.， turbine blades.

Keywords：curvature double-wall; flow interaction; film cooling; impingement cooling

對于先進燃氣輪機更高熱負荷和更高運行效率的追求，使得透平部件急需更為高效的冷卻技術［1］。傳統透平部件的冷卻一般采用外部氣膜冷卻和內部強化傳熱相結合的方式，但其較難滿足更高熱負荷的透平冷卻需求［2］。雙層壁是目前最有潛力的透平先進冷卻技術之一［3］，一般由內部沖擊冷卻、內部肋柱強化換熱和外部發散冷卻等復合結構組成，相比于傳統透平冷卻技術，具有薄外壁、內部支撐結構等特征，能夠顯著增強內部冷氣對透平葉片壁面的換熱，有望使得透平部件綜合冷效提升到0.7以上［4］。

雙層壁結構首先在燃燒室的筒壁開展了應用，學者對比了雙層壁和典型透平冷卻結構的性能，并在燃燒室環境研究了冷卻與傳熱特性［5］。Ignatious等［6］數值研究了不同吹風比與孔直徑下沖擊/發散冷卻平板雙層壁的溫度分布特性，發現在高吹風比下，冷效幾乎不隨吹風比的增加而提升。Shrager等［7］采用紅外測溫技術研究了燃燒室摻混孔周圍發散冷卻排布方式對雙層壁冷卻性能的影響，結果表明，向心布置方法在摻混孔下游的冷卻效果較差。Li等［8］數值研究了不同冷氣流量下雙層壁結構應用于火焰穩定器時的性能，氣膜覆蓋面積隨冷氣流量的增加而減小。Jackowski等［9］在不同吹風比和腔室高度等參數下數值研究了燃燒室中沖擊/發散結構的綜合冷卻性能。Kim等［10］采用紅外測溫方法研究了多層壁結構的流動與冷卻特性，通過內部流場的合理組織，相比于單層發散冷卻，冷卻性能提升了47%～141%。

針對雙層壁結構的孔間距、沖擊高度和壁厚等結構參數，學者首先針對平板雙層壁結構單元的性能開展了研究，以探究對雙層壁流動及冷卻性能的影響規律［11］。Rogers等［12］在典型吹風比范圍內實驗測量了雙層壁上游及下游區域的冷卻特性，結果表明，孔上游的傳熱隨軸向坐標的增加而增強。Han等［13］提出了具有旋流與氣膜復合冷卻的雙層壁結構，數值結果表明，相比于典型雙層壁，冷卻性能提升了8.92%，并且冷卻分布更加均勻。Ritchie等［14］實驗測量了考慮沖擊腔內橫流的雙層壁冷卻性能，結果表明，相比于垂直沖擊的冷卻效果有所降低。Niu等［15］實驗研究了沖擊板開孔率、冷氣流量和主流雷諾數對雙層壁冷卻性能的影響。王一等［16］數值研究了多孔介質作為擾流結構對雙層壁性能的影響，面綜合冷效提升了3%～5%，而壓力損失幾乎無變化。

隨后，學者將雙層壁技術應用于透平葉片等部件，研究了不同葉柵氣熱參數及葉片結構參數下的雙層壁綜合冷卻性能。Ngetich等［17］采用壓力敏感漆方法測量了不同肋柱高度、肋柱直徑和冷卻孔直徑下雙層壁葉片的冷卻特性。章鎖誠等［18］提出了基于一維管網模型的葉片雙層壁快速設計方法，并采用三維氣熱耦合計算進行了修正。Zhang等［19］實驗對比了不同吹風比與密度比下的單層和雙層壁葉片的冷卻特性，發現雙層壁葉片的冷卻性能幾乎不受冷氣密度比的影響。欒永先等［20］在葉片前緣、葉盆和葉背的高溫區進行了雙層壁冷卻結構設計，結果表明其能夠在葉片實現主流溫度44%的溫度降低。

曲率是透平葉片冷卻結構性能的關鍵影響因素之一，在平板雙層壁單元冷卻特性研究的基礎上，學者開展了曲面雙層壁單元的氣熱性能研究［21］。繆國君［22］采用煙線法研究了凹面靶板的流動及換熱特性，凹靶面斜向沖擊會形成一系列串渦而不是大渦旋結構。黃鑫等［23］數值研究了熱障涂層厚度對曲面雙層壁冷卻的影響，結果表明，曲面對內部傳熱影響微弱，但會顯著影響氣膜效率。Zhou等［24］數值研究了曲率及吹風比分別對雙層壁氣膜冷卻、沖擊冷卻及壓損的影響。Skamniotis等［25］采用有限元方法研究了曲面雙層壁單元的應力分布特性，內外及軸向的熱負荷不均勻是應力集中的主要原因之一。劉友宏等［26］數值研究了流向和周向曲率對雙層壁冷卻傳熱特性的影響，沖擊靶面傳熱強度隨周向曲率減小逐漸降低。

目前，國內外針對不同曲率及變曲率特征的雙層壁的性能研究尚不充分，主要關注了其在典型流動及結構參數下的冷卻及傳熱性能，尚缺乏對曲面條件下雙層壁內部、外部復合流動及其對綜合冷效影響的深入研究。本文分別對平面和凹、凸曲面雙層壁單元排布以及內、外流動強相互作用的特征，在不同典型冷氣吹風比下，采用共軛傳熱法研究了曲面雙層壁結構的內部與外部流動的相互影響規律，并分析了對外壁和孔內綜合冷卻性能的影響。

1 數值計算方法

1.1 幾何模型與邊界條件

本研究所采用的雙層壁冷卻結構如圖1所示，雙層壁主要由沖擊冷卻和氣膜冷卻的復合結構組成。本文以平板雙層壁結構為參考，對凹、凸曲面雙層壁結構的綜合冷卻性能及流動特性開展數值研究，其中曲面雙層壁結構的曲率半徑為65D。

氣膜孔與沖擊孔在雙層壁結構中的相對位置如圖2所示，與文獻［27］實驗保持一致，氣膜孔與沖擊孔采用叉排的排布方式，主流腔室高度為40mm，為了使得主流在進口區域充分發展同時避免回流的影響，上游及下游延伸段的長度分別設置為60、40mm，均勻進氣的冷氣腔室設置在沖擊孔板的下方。各排氣膜孔間距和沖擊孔間距均與實驗保持一致［27］，沿x、y方向的間距分別為20、10mm，沿流向共布置8排氣膜孔和8排沖擊孔，其中沖擊孔位于由4個氣膜孔組成的冷卻單元的中心位置，與實驗一致，本研究主要關注第2排到第4排孔的冷卻特性。氣膜孔板與沖擊孔板的厚度分別為3、4mm，沖擊腔室高度為6mm。氣膜孔的出射角為90°，氣膜孔直徑Df和沖擊孔直徑Di均為4mm。

雙層壁結構計算域的邊界條件與實驗［27］保持一致。主流的進、出口均為平均壓力邊界條件，主流與冷氣溫度分別為673、300K，進口雷諾數為3.8×105，湍流度為10%，本文選擇3個典型冷氣吹風比0.4、0.6和0.8進行對比分析。冷氣腔室進口給定流量邊界條件，而流體域和固體域的兩側均為平移周期性邊界條件。冷氣的吹風比M定義為

1.2 網格與計算方法

圖3給出了雙層壁流體域和固體域的網格示意圖。雙層壁的非結構化多面體網格由Fluent Meshing生成，并將流體域和固體域網格在交界面進行對齊，以提升其對于傳熱的預測精度。網格最大尺寸為0.5mm，網格在氣膜孔及沖擊孔臨近區域進行了加密，同時在氣膜孔板和沖擊孔板的邊界層內進行了加密，從而保證近固體壁面無量綱距離y+滿足各湍流模型壁面函數的要求，其中k-ω模型的y+值小于1，而k-ε模型的y+值小于30。

圖4給出了網格無關性驗證的結果，本文選擇4套不同數量的網格進行計算與平均綜合冷效結果對比，在冷氣M=0.6的工況下進行網格無關性驗證。圖4結果表明，429萬網格數能夠滿足本文雙層壁冷卻性能數值計算的精度要求。

數值計算采用Fluent完成。計算采用基于壓力基的求解器，對雷諾時均N-S方程求解，主流與冷氣均設定為理想氣體，流體的黏度、熱導率和熱容都由分子動理論進行計算。當外壁平均綜合冷效的計算值在近50迭代步的波動小于0.1%，認為計算達到收斂。

圖5給出了湍流模型驗證結果，本文選擇了4種湍流模型對平面雙層壁的冷卻性能進行計算，并與實驗結果［27］進行對比。圖5（a）、（b）分別給出了各湍流模型對外壁沿氣膜孔和沖擊孔中心線綜合冷效的預測結果與實驗結果的對比，結果顯示，標準k-ε模型在4種湍流模型中對于雙層壁冷卻性能具有最高的預測精度，其對于雙層壁冷卻性能沿軸向分布趨勢的預測與實驗結果基本一致，這表明對于雙層壁的內、外流動特性的預測較為準確，數值結果與實驗值的偏差小于0.1，預測誤差來源于湍流模型對主流與冷氣射流的摻混強度預測普遍偏低，這導致冷氣向主流中及向下游擴散程度的預測值偏高，使得下游區域冷卻性能的預測偏差略高于上游區域。由圖5可知，平均綜合冷效的預測誤差小于0.06，并且隨吹風比的增加，數值結果中面平均綜合冷效的提升趨勢與實驗一致。因此，本文采用標準k-ε模型對雙層壁的冷卻與流動特性進行數值計算。

2 結果與討論

2.1 曲面雙層壁的綜合冷卻特性

圖6給出了各雙層壁模型在不同吹風比下的外壁面綜合冷效云圖。一般情況下，雙層壁的綜合冷效隨x增加而顯著增大，這主要是由冷氣在沖擊腔室內的強橫流和向下游累積所造成的。由于氣膜冷氣射流對外壁具有直接覆蓋與冷卻作用，高冷效區域一般集中于氣膜孔下游，位于下游位置的氣膜孔射流對雙層壁外壁的冷效效果更為顯著。在氣膜孔與沖擊孔錯列排布方式下，沖擊冷氣在靶面形成的噴泉狀流動能夠在一定程度上提升兩個相鄰氣膜孔之間區域的冷卻效果，但由于沖擊冷氣對于外壁的冷卻效果主要通過對流換熱形成，其對于氣膜孔板外壁的冷卻效果分布更為均勻。當M=0.4時，由于冷氣流量較低，在平面模型中，第2排孔下游區域，即5lt;x/Dilt;10的綜合冷效低于0.5，而第3、4排氣膜孔下游的綜合冷效分別為0.57、0.62。氣膜孔下游綜合冷效呈現典型的帶狀高冷效分布，而x/Di=12.5 對應的噴泉流區域冷卻效率較低，x/Di=17.5駐點區域冷氣沖擊導致的外壁綜合冷卻效率能夠達到0.57。在凹面模型中，5lt;x/Dilt;10時的綜合冷效相比于平面模型具有顯著提升，x/Di=12.5附近噴泉流區域的冷卻效率也有提升。在凸面模型中，x/Digt;10時的綜合冷效提升較為明顯，尤其是15lt;x/Dilt;20時的。

當M=0.6時，在平面模型中，沖擊冷卻的駐點及噴泉流附近區域冷卻效果分布較為平均，x/Di=12.5附近的低冷卻區面積相比于平面模型有所減小。凹面模型中，氣膜孔下游的綜合冷效略低于平面模型，尤其是對于較為下游的氣膜孔臨近區域，主要是因為較高動量的冷氣難以貼附在凹壁面。凸面模型的橫流累積效應較為顯著，表現在第2個氣膜孔下游的綜合冷效與其他兩種模型相似，而10lt;x/Dilt;20時的累積冷效遠高于其他2種模型。當M=0.8時，與M=0.6不同，凹面模型上游氣膜孔的綜合冷效相比于平面模型有所降低，下游氣膜孔的冷效分布與平面模型較為相似，但噴泉流區域在凹面模型中相比于平面模型的綜合冷效均有所降低。與M=0.6相同，凸面模型的冷氣橫流累積效應相比于與平面模型更為顯著。

圖7給出了外壁的橫向平均綜合冷效分布。受沖擊腔室內冷氣橫流累積效應的影響，外壁綜合冷效均隨x的增加而逐漸上升。當吹風比M=0.4較低時，凹面和凸面模型的橫向平均綜合冷效均高于平面模型。在第2排氣膜孔位置x/Di=5，凹、凸面模型的平均綜合冷效分別為0.54、0.515，在x/Digt;9下游，凸面模型的平均綜合冷效逐漸高于凹面模型。在低吹風比的作用下，平面模型的橫流累積效應最為顯著，表現在平均綜合冷效隨x的上升幅度最大，在x/Digt;12區域已經接近凹面模型的平均綜合冷效。

當吹風比M=0.6，0.8較高時，凹面模型的平均綜合冷效略低于其他模型，主要是由于高動量冷氣脫離外壁面的趨勢較強。當M=0.6時，凸面模型的平均綜合冷效與平面模型較為接近，但凸面模型平均綜合冷效隨x增加的上升趨勢更大。當M=0.8時，凸面模型取得了最高的冷卻效果，在x/Di=15位置的平均綜合冷效為0.73；凹面模型和平面模型的平均綜合冷效較為接近，二者的外壁綜合冷效隨x增加無顯著上升趨勢。

2.2 曲面雙層壁的內、外流動特性

為了揭示不同雙層壁形狀下內外冷氣的流動情況，圖8給出了沖擊腔內縱截面（截面1）的二維流線分布。在垂直出射的沖擊冷氣的作用下，沖擊腔室內駐點臨近區域的噴泉流顯著增強了當地的旋流強度，體現在流線垂直于沖擊滯止方向。在駐點區域外，沖擊冷氣向下游遷移的趨勢更強，體現在二維流線指向下游并偏向沖擊孔板方向。在到達靶面之后，大部分沖擊冷氣從氣膜孔出流，而小部分冷氣在沖擊腔內向下游流動。

由圖8可知，當M=0.4時，3個模型的氣膜冷氣出射后抬升高度較低，冷氣貼壁性能較好。由于此時冷氣流量較小，沖擊腔內幾乎無向上游的回流現象，所有流線均指向下游從而具有顯著的向下游的橫流累積效應，但各沖擊孔的冷卻區域之間存在較大間隔。在凹面模型中，由于凹面曲面方向與冷氣橫流方向相反，x/Di=12.5，17.5駐點區域的橫流強度最弱，這造成了圖6中駐點范圍內綜合冷效相比于平面模型顯著提升，這也同時導致每個氣膜孔下方的冷氣聚集，3種模型中最為嚴重，氣膜孔橫截面內冷氣出流面積最大。在凸面模型中，沖擊腔室內出流區域的面積有所擴大，尤其是下游氣膜孔排，同時氣膜孔內的入侵區域面積減小，凸面曲面使得噴泉流的范圍增大，這使得駐點附近的橫流強度相比于平面模型更弱。

當M=0.6時，與小吹風比不同，沖擊冷氣在到達靶面后小部分向上游回流，體現在沖擊腔內部分面流線指向x負向。各沖擊孔冷氣影響區域的間隔相比于M=0.4顯著減小，其中沖擊駐點附近的溫度較低，這是因為該處具有較強的冷氣聚集，下游駐點的低溫區面積更大，更靠近其下游的氣膜孔，這主要是由冷氣的橫流累積所導致的。在平面模型中，出流區的二次渦影響面積最小，這使得氣膜孔內冷氣出流更順暢，孔內入侵區域面積與凹面模型無顯著區別。在凹面模型中，氣膜孔下方出流區的二次渦面積最大，導致凹面模型的氣膜冷氣出流的出射角最大，并在一定程度降低了外壁的冷卻效果。在凸面模型中，沖擊腔內的冷氣橫流及向下游聚集效應最為顯著，導致圖6中下游區域的綜合冷效最高。

當M=0.8時，冷氣流經氣膜孔后在主流中具有最大的抬升高度，沖擊駐點附近向上游回流的冷氣流量顯著增加，并且回流區更加靠近其上游氣膜孔，這導致其上游氣膜孔的垂直出流趨勢有所增強。在高吹風比下，沖擊冷氣向上游的回流導致沖擊腔內橫流累積效應相比于低吹風比下有所減弱，尤其是平面和凹面模型，而凸面模型的冷氣橫流強度最高，并且沖擊腔室下游區域的低溫區面積更大，這是因為圖6中凸面模型的累積冷效更為顯著。在凹面模型中，沖擊冷氣在達到靶面后具有更強的脫離壁面的趨勢，因此對壁面的冷卻效果比平面模型更差。

相比于主流速度，圖9給出了近氣膜孔出口處的無量綱速度云圖。由于雙層壁結構的氣膜孔長徑比較小，氣膜孔內的冷氣出流速度分布相比于大長徑比氣膜孔更為不均勻。圖8中，主流在氣膜孔的上游區域入侵孔內，并形成回流渦，回流渦占據了氣膜孔內上游區域，在主流與冷氣腔室壓差的作用下，孔內入侵區域呈月牙形，回流渦使得氣膜孔內下游的冷氣出流面積有所減小，出射速度有所增加。

當M=0.4時，雙層壁曲面對冷氣出射在3個吹風比中具有最大的影響。在平面模型中，下游氣膜孔相比于上游氣膜孔的入侵及冷氣出流速度都有所增加，尤其是第2排氣膜孔，這使得x/Di=5位置的氣膜孔內冷氣抬升高度能夠到達氣膜孔出口，從而顯著改善了平面模型中5lt;x/Dilt;10時的冷效不足。在凹面模型中，主流入侵使得沖擊腔內回流區的面積最大，同時孔內冷氣出流面積最大，從而導致上游氣膜孔出流在外壁具有最大的冷氣覆蓋面積。在凸面模型中，3個氣膜孔的入侵及出流面積差距較小；下游2個氣膜孔的冷氣出流較凹面模型較弱，但圖6中外壁綜合冷效更高，這是因為脫離壁面的趨勢比凹面模型更弱。

當M=0.6時，高吹風比下氣膜孔的冷氣出流面積顯著增加，并使得主流對氣膜孔的入侵從靠近孔中間位置移動到了孔上游邊沿。在凹面模型中，凹面彎曲使得沖擊腔內冷氣橫流更弱，冷氣更傾向于從臨近氣膜孔射出而不是向下游聚積，因此氣膜孔的冷氣出射趨勢顯著增強，并顯著增加了其從壁面的抬升高度及脫離趨勢，因此凹面模型的綜合冷效在3種模型中較低。在凸面模型中，第2排氣膜孔內的冷氣出流面積比平面模型更大；下游氣膜孔的冷氣出流情況和平面模型無顯著差異，但圖6中凸面模型的綜合冷效相比于平面模型有所提高，主要是由于凸壁面改善了氣膜冷氣的貼壁效果，同時主流對氣膜孔的入侵相比于平面模型也略微增強。

當M=0.8時，氣膜孔的出流區域仍然集中于氣膜孔下游邊沿。在凹面模型中，氣膜孔內主流入侵、冷氣出流的位置與M=0.6時幾乎相同，凹面模型相比于其他兩種模型具有更強的冷氣出流趨勢，同時凹外壁使得氣膜冷氣更難以附著，因此平均綜合冷效比其他兩種模型略低。在凸面模型中，在此高吹風比下，主流對凸面模型的氣膜孔入侵更為明顯，同時在沖擊腔室強橫流的共同作用下，3排氣膜孔的冷氣出流均弱于平面模型，但主流入侵的位置幾乎不發生變化，使得外壁氣膜冷氣具有較強的貼壁性能，顯著增強了外壁的綜合冷效。

為了揭示不同壁面彎曲情況下主流入侵對雙層壁內部冷氣橫流及擴散的影響，圖10給出了沖擊腔內橫截面（截面2）的二維流線分布，可知壁面彎曲對沖擊冷氣的橫向擴散具有顯著的影響。當M=0.4時，來自不同沖擊孔的冷氣的影響區域仍具有較大間隔，在沖擊腔內橫流效應的影響下，沖擊冷氣在到達靶面前向下游擴散，并向氣膜孔進口處匯聚。在平面模型中，沖擊腔室內冷氣向下游均勻流動，且兩個相鄰沖擊孔之間區域的橫流更為顯著，并且無明顯回流現象。在凹面和凸面模型中，由于圖8中噴泉流導致的冷氣回流作用，沖擊冷氣向其上游有一定的擴散，并且向下游的擴散相比于平面模型也更為強烈，從而使得圖6中由熱傳導導致的外壁冷卻效果更為均勻，其中凹面模型的擴散遠強于凸面模型，導致靶面駐點范圍內具有良好的冷卻效果。當M=0.6時，上游沖擊冷氣能夠擴散到下游沖擊孔位置，而大部分冷氣從氣膜孔流出，使得其下游仍然存在小部分高溫區。與小吹風比有所不同，氣膜孔進口上游的冷氣同樣會從氣膜孔流出，體現在氣膜孔上游流線指向氣膜孔，凹、凸面模型中氣膜孔上游的回流都顯著強于平面模型，尤其是對于凹面模型，這與圖8中凹面模型氣膜孔下方最大的二次渦面積相對應。當M=0.8時，在此高吹風比下，沖擊腔內的溫度分布最為均勻。3種雙層壁模型的氣膜孔進口上游回流都顯著增強，從而顯著擴大了氣膜孔內的冷氣出流面積。3種模型中，沖擊冷氣向氣膜孔的擴散程度無顯著區別，但回流區面積在平面模型中達到最大，這使得平面模型具有最大的氣膜孔內出流面積。此外，凸面模型具有最強的沖擊腔室橫流強度，從而導致圖6中凸面模型的下游橫流累積冷效達到最大值。

圖11給出了氣膜孔內壁的綜合冷效分布云圖。一般來說，主流入侵主要發生于氣膜孔的上游邊沿區域，而氣膜孔的冷氣出流主要發生于其下游邊沿。在沖擊腔冷氣橫流累積效應的作用下，下游氣膜孔的出流比上游氣膜孔更為強烈，孔內冷效也更高。壁面彎曲通過影響孔內流動直接影響了孔內的冷效分布。在低吹風比M=0.4下，第2排氣膜孔內的低冷效區同時出現在上游的上部及下部，而更下游氣膜孔的低冷效區僅出現于上游的上部，表明主流在上游氣膜孔的入侵更為強烈，且主流入侵深度相比于下游氣膜孔有所增加，導致氣膜孔進口處冷氣入流面積顯著減小。相比于平面模型，凹面及凸面模型的氣膜孔內冷效都有顯著提高，尤其是上游氣膜孔。在高吹風比M=0.6，0.8時，相比于低吹風比，低冷效區集中于氣膜孔內上游的上部區域，主流入侵對沖擊腔室內的流動影響較小。相比于凹面模型，凸面模型的下游氣膜孔內低冷效區的面積顯著減小，主要是因為凸面模型沖擊腔室內的橫流效應更為明顯，冷氣更傾向于從下游的氣膜孔內流出。

3 結 論

針對雙層壁在曲面條件下內、外流動與冷卻耦合特性不明晰的問題，本文在不同典型冷氣吹風比下，采用共軛傳熱法對比研究了平面和凹、凸曲面雙層壁的流動及綜合冷卻特性，分析了曲面雙層壁的內外流動相互影響規律，得到如下主要結論。

（1）在低冷氣吹風比下，凹面雙層壁的氣膜孔內截面的冷氣出流面積最大，其上游氣膜孔射流的冷卻效果相比于平面雙層壁有所提升，外壁平均綜合冷效能夠達到0.54，同時沖擊駐點臨近區域的冷氣橫流強度和換熱效果也顯著提升。凸面雙層壁的下游氣膜冷卻和沖擊冷卻效果相比于平面雙層壁均有所增強，氣膜孔內的主流入侵面積有所減小，同時主流入侵能夠到達氣膜孔下部，而氣膜射流在凸外壁的貼壁性能更好。

（2）在高冷氣吹風比下，凹面雙層壁的氣膜孔下方冷氣出流區的二次渦面積最大，氣膜孔進口的上游冷氣能夠從氣膜孔流出，同時氣膜孔內主流入侵深度最小，導致凹面雙層壁氣膜冷氣的出射角度最大，冷氣更容易脫離凹壁面，因此氣膜孔下游冷卻效率略低于平面模型。凸面雙層壁中氣膜孔內入侵出現于上游邊沿，沖擊腔內冷氣向上游回流最弱，從而在沖擊腔內獲得最強的橫流累積效果，凸壁面平均綜合冷效在x/Di=15時能夠達到0.73。

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（編輯 趙煒）