新型高效气膜冷却孔型的研究

本课题采用LES数值模拟和实验研究的方法，通过对气膜冷却流动涡结构分析，设计一种可获得高冷却效率而又具有很强实用性的新型气膜冷却孔型，并获得其结构参数和流动与换热机理，通过实验验证其性能。同时对旋转状态下该新型孔的流动与换热特性进行研究，获得非惯性系下各种衍生力对气膜冷却流动作用的机理，探索在旋转状态下高效孔型结构和参数，并通过实验验证机理和性能的真实性。为这种新型高效气膜冷却孔型运用到航空发动机上奠定坚实的技术基础。

气膜冷却是现代涡轮叶片中最有效的冷却方式之一，对其进行持续而深入的研究是提高发动机性能的重要途径。本课题主要研究新型抑涡气膜冷却孔型的流动换热特性。采用数值模拟和实验验证的方法，对其在静止状态和旋转状态下的流动结构和各种相关影响因素对气膜冷却孔的冷却效率进行了研究，并设计和优化出在一定吹风比下性能较为优异的气膜冷却结构型式。. 课题首先采用了大涡模拟（LES）的方法，对带倾角的平板单孔气膜冷却的流动结构和换热性能进行了细致地分析，并获得了气膜冷却效率、涡量分布和相干结构，以及发夹涡对壁面摩擦对换热的影响规律。通过该研究，从理论上掌握了气膜冷却孔的细致流动结构和换热机理，为抑涡气膜冷却孔的设计奠定了基础。. 通过采用传统的数值计算（CFD）和实验的方法，对带斜角和平行的抑涡冷却孔的冷效性能进行了研究。先在静止和固定吹风比条件下，对抑涡孔型的辅孔孔径比、辅孔径向倾角、辅孔展向位置、辅孔沿流向位置这四种不同特征对冷效的影响进行了研究，获得了静止条件下冷效最佳的结构形式，并采用大涡模拟的方法对较优结构孔型进行了流动与换热模拟，根据模拟结果对孔型结构进行了进一步的优化，获得了研究范围内最优的孔型结构。最后，对这种最优结构的孔型进行了旋转条件下的研究。通过采用大涡模拟和实验验证的方法验证了该孔型在旋转状态下的流动与换热性能，分析了旋转附加力项对抑涡孔辅孔射流与主孔射流之间的干涉作用的影响，探索旋转状态下大尺度湍流结构影响气膜冷却效率的物理机制，并通过实验验证了该新型孔在实验条件下的冷却效果。. 通过本课题的研究表明：本课题研究的新型抑涡气膜孔比常规单气膜冷却孔型的冷效要提高70%以上，并且该孔型的加工难度和现有的单气膜孔型一致，因此本研究获得的成果具有很强的应用前景。希望能对本课题进行进一步的资助，以期可以将该项技术用于实际工程中去。. 本课题圆满完成了课题任务书所规定的全部研究任务。