多尺度非对称叶片内冷结构的换热机理与优化设计研究

The thermal design of internal cooling structures for aeroturbine blades is one of the critical issues for improvement of the overall blade performance. The realization of an advanced internal cooling system is very important for achieving high-performance aeroengines. In this context, to solve the problem that the cooling capacity of internal blade cooling structures could not be fully utilized, this proposal brings forward such fundamental research of convective heat transfer and optimal design of multiscale asymmetrical internal cooling structures for aeroturbine blades. In the proposal, macroscale and microscale convective heat transfer characteristics of internal cooling structures will be developed comprehensively and an optimization of the cooling structures will be performed. Accordingly, the key issues involved in cooling techniques and optimization methods will be investigated thoroughly by deep scientific methods. The novel features of the proposal are the introduction of a microchannel cooling technique, an asymetric arrangement concept and applying the so-called Constructal Theory into the design of internal cooling structures, and the development of an optimization method for convective heat transfer conditions, and finally the achievement of efficient and optimized structures satisfying multidisciplinary requirements. Overall, the proposal does not only investigate the fundamental issues in the fields of macroscale and microscale cooling mechanisms, but also extends the application of optimization technologies into the multiscale internal cooling structures of aeroturbine blades. The expected findings constitute important reference and significant guidance for the independent research, development and design of aeroengine cooling systems for national aviation engineering. The proposal is very innovative and brings the knowledge and competence beyond the current state-of-the-art.

航空涡轮叶片内冷结构的热设计是提高叶片内部冷却效果、改善叶片综合性能和实现高性能发动机的关键要素之一。针对目前存在的叶片内冷结构冷却能力无法得以充分挖掘的困难问题，本项目提炼出考虑多尺度对流换热的涡轮叶片内冷结构的热设计及优化这一基础科学问题。拟采用数值计算、优化设计和实验测试等手段，从宏观及微观角度揭示叶片内冷结构中的对流换热机理，并优化设计新型叶片内冷结构，深入系统地研究所存在的关键科学问题。本项目特色在于将微尺度冷却技术、非对称分布和构形设计理念引入到航空涡轮叶片内冷结构设计中，发展含对流换热条件的优化设计方法，获得热-力要求下的高效的多尺度内冷结构的优化构型。该项目不仅探索涡轮叶片内冷结构中宏-微观尺度换热机理的基础问题，还拓宽优化设计方法在多尺度涡轮叶片内冷结构设计中的应用。研究成果对我国航空发动机冷却系统自主研发设计具有重要的科学指导意义，对我国航空工程应用具有重要的参考价值。

发展高效的涡轮叶片冷却技术以降低涡轮叶片表面温度、延长其服役时间势在必行。内部冷却和气膜冷却构型以及兼顾内冷与气膜冷却的高效复合冷却系统是提升航空发动机综合性能的关键科学问题之一。本项目以充分挖掘冷却结构冷却能力为思想，以设计新型冷却结构为基础，以提高叶片冷却效果为目标，开展内部对流冷却、外部气膜冷却及相互耦合作用的基础研究工作。.项目提出了异形孔、组合孔、树形孔、椭圆孔、超椭圆孔等新型气膜冷却结构，提出了含组合元、新月形肋、构形间断肋、Kagome点阵等新型内部冷却结构。借助数值模拟和实验测试等研究手段，获得了不同气膜冷却结构和内部冷却结构的气膜冷却效率和强化换热性能，揭示了新型冷却结构的气膜冷却和对流冷却机制，揭示了内部冷却对气膜冷却性能的影响作用机制，得到了气流参数和结构参数对冷却效率的影响规律。.项目研究发现，相比传统的圆柱孔，树形孔和异形孔的气膜冷却效率分别提升了50%和一倍；组合孔诱导产生的反肾形涡对，扩宽了冷气的展向覆盖区，提高了气膜冷却效率；长宽比为4的椭圆、超椭圆孔对壁面覆盖面变宽，气膜冷却效率变大；组合元和新月形肋片强化了内冷通道换热，但通道的压降有所增加；构形间断肋能够在减小压降的基础上强化通道换热，增强通道的总体热性能；Kagome点阵结构在不增加压降的前提下提高了尾缘通道内的换热；内部横流通道诱导产生的螺旋流动强度较小时，气膜冷却效率较高。.新型冷却结构构型及其中的冷却机制丰实了我国航空发动机涡轮叶片冷却技术数据，为未来新型涡轮冷却结构设计提供借鉴思路，为我国航空发动机涡轮叶片的设计与制造提供理论和科学指导；研究成果对我国航空发动机高效冷却技术与冷却系统总体设计自主研发具有重要支撑作用，对我国航空工程应用具有重要参考价值，对涡轮冷却技术国际发展及学术基础研究具有重要推动作用。