非均匀激波-辐射加热作用下涡轮叶片复合冷却结构耦合传热机制

The non-uniform heating mechanism of compound-cooling configurations of turbine blade is studied by the influence of interaction of high temperature shock wave and radiation, the characteristics of shock convection and radiation heat transfer on the heated side of the compound-cooling configurations is obtained. The unsteady and non-uniform heat flow boundary conditions is considered, the multiple fields heat transfer mathematical models and calculation methods is obtained. And the analytical models and numerical method is validated by the flow and heat transfer experimental study of transonic turbine blade of compound-cooling configuration. The systemic method for analyzing the coupled heat transfer characteristics of compound-cooling configurations of turbine blade heated by non-uniform shock wave and radiation..The study results of the project is not only used to design the compound-cooling configurations of turbine blade and increase the reliability and life of turbine blade, but also provide the references for designing the nozzle of ramjet and aeroengine. From the position of science, the problem relates to multiple science of shock wave, radiation transfer, convection heat transfer, conduction heat transfer, which has a evident characteristics of across of different science. And it has a important values for accelerating the develop of correlative subjects.

本课题拟考虑高温激波和辐射交互作用，深入开展航空发动机涡轮复合冷却结构非均匀加热机制与特性研究，掌握冷却结构高温侧激波对流和辐射加热热流的特性规律；考虑非定常、非均匀的热-流边界条件，构建涡轮叶片复合冷却结构内多场耦合传热数理模型，发展相应的算法；并通过开展跨音速叶栅层板全气膜复合冷却结构的流动换热实验研究为相应的机理分析、数值模拟方法和算法验证提供部分支持；最终形成非均匀激波-辐射加热作用下涡轮叶片复合冷却结构热环境及耦合传热特性的系统分析技术。.该问题的研究不仅对优化航空发动机涡轮区热防护设计、增强冷却结构可靠性和寿命具有重要的科学与工程价值，也可以为超燃冲压发动机喷管、航空发动机尾喷管冷却结构的优化设计提供参考；同时，从学术角度看，这一问题的研究涉及激波、导热、辐射传递、对流换热等多个学科领域，具有明显的学科交叉性，对促进相关学科发展也具有重要价值。

本项目针对航空发动机激波和辐射作用下跨音速涡轮叶片先进复合冷却结构流动换热机理开展研究，涉及激波、导热、辐射传递、对流换热等多个学科领域，具有明显的学科交叉性，该项目的研究对提高先进涡轮叶片冷却结构设计水平，促进相关学科发展具有一定的理论意义和实用价值。本项目的主要工作包括：.① 开展了高温激波与辐射交互作用下复合冷却结构加热机制与特性研究，设计了典型跨音速涡轮叶片，采用数值分析与实验相结合的方法对跨音速涡轮叶片叶栅气流与气膜冷却交互作用开展了研究，并在此基础上设计了典型直流燃烧室结构，对燃气辐射与涡轮叶片气膜冷却的交互作用开展了数值研究；.② 针对复合冷却结构多场耦合传热机制开展了研究，设计了多种弯曲壁面复合冷却结构模型，对其耦合传热机理和冷却特性开展了实验研究和数值模拟，分析了几何参数和流动参数对复合冷却结构热相应及冷却特性的影响规律，获得了复合冷却结构耦合传热分析技术方法；.③ 开展了复合冷却结构流动换热特性实验研究，设计了典型结构涡轮叶片，搭建了叶栅风洞，对具有典型气膜冷却结构的跨音速涡轮叶片的流动换热特性开展了实验研究和数值模拟，分析了叶栅通道的Re数、湍流度以及温比对跨音速涡轮叶片流动换热特性的影响规律。.④ 开展了热环境及耦合换热分析技术方法的研究，发展了多场耦合条件下辐射换热及耦合换热计算的有限体积法（正交坐标系下）和离散坐标法（适体坐标系下）计算模型，获得相应的多场耦合分析技术方法。.该项目主要的成果为：发展了涡轮叶片复合冷却结构冷却特性的分析预测方法，掌握了燃气辐射和激波对涡轮叶片气膜冷却的影响规律，得到了几何参数和流动参数对冷却特性的影响规律，构建了弯曲壁面复合冷却结构多场耦合传热的分析计算模型，形成了多场耦合条件下传热特性的系统分析技术。