涡轮叶片端壁槽缝气与离散气膜孔冷却特性实验研究

真实发动机涡轮叶片端壁为曲面造型,并且其冷却受槽缝气、泄漏流和离散气膜冷却多种冷却气叠加影响,同时又受到主流二次流影响,因此呈现复杂冷却特性。为研究接近真实发动机涡轮叶片端壁构型和工况下的气膜冷却特性,本文采用高速风洞(主流雷诺数为37万)及压敏漆(PSP)技术,研究了槽缝气、泄漏流以及离散气膜对曲面端壁的气膜冷却效率的影响,并针对不同冷气流量比对端壁气膜冷效的影响规律进行了对比分析。结果表明:端壁表面气膜冷效随着槽缝气流量比增大而增大,当流量比增大到1.71%时,槽缝气膜几乎可以覆盖整个端壁表面;与槽缝气相比,端壁表面的离散气膜冷气覆盖范围较为有限,端壁压力面侧下游区域气膜覆盖较差;在喉部之前,随着流量比增大,离散气膜冷效呈现下降趋势;在喉部之后,随着流量比从1.3%增大到1.9%,离散气膜冷效呈现上升趋势;与仅有离散气膜相比,包含槽缝气、泄漏流、离散气膜的全气膜覆盖更为均匀,全气膜冷效的叠加使得端壁冷效相比仅有离散气膜时整体提高了93.4%。     

格芯夹层结构散热性能的数值计算评估

为评估格芯夹层结构的传热性能以及代替传统的板式肋片结构应用于汽车散热系统中的可能性,文章对几种典型的格芯夹层结构（如kagome lattice,tetrahedral lattice和pyramidal lattice）和板式肋片（corrugated plate）结构实施了一系列的三维数值计算评估.通过对比相同Reynolds数下的传热系数和相同泵功率下的局部Nusselt数来评估各组结构的传热性能.结果显示,相同Reynolds数条件下,各组格芯夹层结构的传热系数较板式肋片结构均有提高,同时摩擦阻力也大幅度增大.在相同泵功率条件下,由于板式肋片结构所受形阻基本可以忽略,因此在较低泵功率范围内（< 1 500 W）,板式肋片的局部Nusselt数最大.随着泵功率的增长,当泵功率提高到3 000 W,tetrahedral的Nusselt数与板式肋片持平并进一步增大,显示出了格芯夹层结构的应用潜力.高传热性能而低摩擦阻力的格芯夹层结构完全有潜力代替传统的板式肋片结构应用于新型高效紧凑的散热系统中.      

气膜孔内流动结构对冷却效率的影响

涡轮叶片气膜孔内的流场结构对气膜射流下游的流动有着明显的影响。本文应用数值模拟的方法计算了平板上四种气膜冷却结构的孔内涡流场,从而分析气膜孔内涡结构对气膜冷却效率的作用规律。结果表明:当射流进入气膜孔并发生偏转时,气膜孔内会生成不同强度的旋转涡对;此对涡会导致气膜孔内射流能量的损失,并对主流内的肾型涡产生作用。当孔内涡对与主流肾型涡转向相同时,主流肾型涡湍流强度增加,气膜冷却效率下降;反之,当孔内涡转向与主流肾型涡相反时,主流肾型涡湍流强度降低,气膜冷却效率提升。通过对孔内涡结构的优化,文中所提的两种气膜孔改型结构能够有效地提高气膜冷却效率。