等离子体气动激励改善燃烧室气膜冷却效果的探索性研究

Based on the deep research on conditions and methods of generating plasma downstream the film cooling hole on the inside wall of combustor, and the mechanism as well as characteristics of inducing cooling stream flow along film cooling wall through plasma aerodynamic actuation , the computation model of plasma flow control improvement on film cooling effectiveness is established, taking ionization , combustion , heat thansfer and plasma aerodynamic actuation etc.into account. In order to build this model, CFD, high-voltage theory, combustion theory, heat transfer theory, jet theory and plasma dynamics are synthetically involved in. The mechanism and intrinsic essence of enhancing film cooling effectiveness by plasma aerodynamic actuation could be profoundly uncovered,through the coupling calculation of gas ionization, aerodynamic actuation and heat conduction,and the rules of all kinds of factors affecting film cooling effectiveness could be mastered.The methods of optimization on plasma aerodynamic actuation parameters and cooling air flow control could be acquired by the fundamental and exploratory experiments on plasma aerodynamic actuation improvement on film cooling effectiveness. Accordingly, plasma aerodynamic actuator for combustor environment would be developped. And the technical scheme of improving film cooling effectiveness with plasma aerodynamic actuation will be brought forward in order to enhance the cooling efficiency and the work reliability of aero-engine.The research will enrich the theory and experimental methods of plasma dynamics and plasma flow control.

在深入研究燃烧室内壁面气膜冷却孔下游产生等离子体的条件、方法和等离子体气动激励诱导冷却气流贴壁流动的物理机制和特性的基础上，综合应用计算流体力学、高电压学、燃烧学、传热学、射流理论及等离子体动力学，建立考虑电离、燃烧、传热、等离子体气动激励等的等离子体流动控制改善气膜冷却效果的计算模型，通过对等离子体气动激励改善气膜冷却效果过程中气体电离、气动激励、传热的耦合计算，深刻揭示等离子体气动激励改善气膜冷却效果的机理和内在本质，掌握各种因素对其的影响规律；进行等离子体气动激励改善气膜冷却效果的基础性和探索性实验研究，掌握优化等离子体气动激励参数和进行冷却气流流动控制的方法，研制出适合于燃烧室环境的等离子体气动激励器，制定在发动机燃烧室壁面实施等离子体气动激励改善气膜冷却效果的技术方案，以提高冷却效率和发动机工作可靠性。本项目的研究将进一步丰富等离子体动力学、等离子体流动控制的理论和实验方法。

气膜冷却是现代航空发动机热端部件（燃烧室和涡轮）的重要冷却措施之一。随着航空发动机性能要求的进一步提升，涡轮前进口燃气温度将提高到2200K以上，传统气膜冷却技术的冷却能力不能满足热端部件冷却的要求，为此必须积极探索新概念、更高效的热端部件冷却技术。在国家自然科学基金项目“等离子体气动激励改善燃烧室气膜冷却效果的探索性研究”的资助下，进行了在燃烧室气膜冷却结构中产生等离子体的条件、方法和等离子体气动激励诱导冷却流场的理论分析及实验测试方法研究；在理论分析的基础上，建立了在平板气膜冷却结构实施等离子体气动激励改善气膜冷却效果的三维数值计算模型，通过数值模拟分析了等离子体气动激励前后气膜冷却流场中反向旋转涡对的结构及强度的空间演化过程，结合气膜冷却效率分布，深入揭示了利用等离子体气动激励提高气膜冷却的机理；设计并改建完善了等离子体气动激励改善气膜冷却效果实验系统，设计并研制了适用于气膜冷却结构的等离子体气动激励器，进行了等离子体气动激励器的放电特性实验研究，并在国内外首次开展了等离子体气动激励下三维离散气膜孔的流动与冷却特性实验研究，掌握了等离子体气动激励对冷却射流出流轨迹影响因素的参数控制规律，壁面冷却效率实验测量结果证实了利用等离子体气动激励提高气膜冷却效果的可行性；在等离子体气动激励控制圆形孔气膜冷却流场的数值模拟与实验研究的基础上，开展了等离子体气动激励器布局（激励器电极构型、激励位置）和不同射流出流分布（气膜孔形状、射流进气方式）等因素对气膜冷却特性的影响研究；根据航空发动机燃烧室的结构特点，进行了等离子体气动激励器在燃烧室内的布置、激励方式、激励位置等研究，提出了发动机燃烧室等离子体气动激励改善气膜冷却效果的概念方案。