气膜冷却效果及冷气掺混的非定常气热耦合研究

本项目采用实验和数值模拟相结合的方式，从流场、温度场相互耦合的方面研究动静相干非定常效应（包括静叶尾迹和通道涡）对动叶气膜冷却效果的影响机理；从非定常气热耦合方面，研究冷气掺混对涡轮内部流场结构、流动损失和气动性能影响机理，探索不同的冷气掺混形式所引起的涡轮流动损失的规律。研究结果将揭示各种非定常流动结构对动叶气膜冷却效果及冷气掺混条件下涡轮流场和性能影响的规律；建立不同非定常因素下对气膜冷却效果影响函数（如吹风比、尾流通过频率、尾流宽度、尾流振荡幅值、通道涡强度等）的关联式。本项目研究旨在为提高涡轮叶片冷却结构设计中的冷却效率和涡轮的整机性能、发展完善气膜冷却理论提供理论依据，为涡轮设计者快速预测不同冷却设计所带来的气动性能损失提供理论支持。

上游叶排产生的非定常尾迹会对下游叶片吸力面的边界层产生影响，对下游叶片的传热会产生影响，处于静叶下游的动叶的气膜冷却效果也将必然受到非定常尾迹的影响。因此，有必要开展不同非定常因素对动叶气膜冷却效果影响的研究和非定常条件下冷气掺混对涡轮内部流场结构和涡轮气动性能影响的研究。本课题组主要以涡轮叶片的气膜冷却为研究对象，采用数值模拟和实验测量手段，对涡轮叶片气膜冷却的非定常流动进行了系统的数值分析与实验研究，研究个各种因素对涡轮叶片气膜冷却影响的机理。在数值计算上首先开展了旋转效应、气膜孔几何形状对涡轮叶片气膜冷却效果及气膜孔附近流场分布影响的研究，其次开展了非定常环境下涡轮动叶气膜冷却流场的研究，研究了动静部件之间非定常效应、非定常尾迹宽度、通道涡位置及强度对气膜冷却效果的影响。同时还开展了涡轮级气膜冷却流场三维非定常气热耦合数值模拟的研究。在实验上开展了不同孔型下平板、涡轮叶片表面气膜孔气膜冷却特性的实验测量，研究了冷却孔几何形状对冷却效果的影响机理。同时开展了尾迹宽度、通道涡强度对涡轮叶片气膜冷却效果的实验测量，研究了尾迹宽度、通道涡对气膜冷却效果的影响。结果表明，当非定常尾迹输运到冷却孔附近时，因为其动量损失从而对冷却气体的压制作用减小，冷却气体更容易从冷却孔中喷射出来与主流掺混，尾迹对气膜层的干扰占主导地位，靠近气膜孔的冷却效率降低明显。非定常尾迹对气膜冷却效果的影响范围随着尾迹宽度的增大而显著增大。在大的尾迹宽度下，气膜冷却效果主要受尾迹宽度的影响，反而对吹风比影响的反应更为不敏感一些。吸力面上气膜孔排的射流轨迹都受到通道涡的影响而呈收敛状的，压力面上气膜孔的射流轨迹都受到通道涡的影响而呈发散状。通道涡对涡轮叶栅的流场特别是对叶根附近流场影响较大。随通道涡强度的增大而对气膜冷却影响效果增大。通道涡对冷却效率的影响比尾迹的影响程度要强的多，冷却效率在尾迹影响的情况下主要是沿着主流的方向变化，而在通道涡影响的情况下主要是沿着叶高的方向变化。由于非定常气热耦合流场中由于存在两种尺度相差很大的时间步长，但现有的软件及程序在非定常求解中只能统一取一种时间步长，非定常气热耦合流场无法求解，非定常气热耦合流场的求解需要进一步探索。项目研究结果对在气膜冷却设计中考虑各种不同非定常因素的影响，提高涡轮叶片冷却效率和整机效率、指导工程设计、气膜冷却理论的发展完善有指导意义。