含化学热沉的气膜冷却流动与换热特性研究

气膜冷却技术在航空发动机发展史上占据无可取代的地位，至今仍是冷却涡轮叶片的首选方法。然而，现行的以气膜冷却为基础的空气复合冷却技术已难以满足大推力高性能航空发动机涡轮叶片的冷却需求。本项目突破传统气膜冷却技术单一工质的局限，在对流换热源强化概念的理论框架下，开拓了一个包含化学反应，综合考虑高效回热、强化冷却和气动补偿的涡轮发动机气膜冷却系统。该系统采用含氨混合气为冷却工质，氨气在气膜边界层内部发生吸热分解反应，可有效弱化主流燃气向叶片表面的传热。拟采用试验结合数值模拟的研究方法探索由氨分解反应吸热、体积膨胀所致的内热汇、体积源等对气膜冷却流动与换热特性的影响规律；揭示混合工质的辐射吸收特性对热辐射换热的屏蔽作用；构建耦合化学反应和对流换热的气膜冷却试验平台。本项目的实施有望全面提高发动机循环效率和比功，为国防事业发展做出贡献，并促进相关学科的融合与发展，具有重要的理论意义和广阔的应用前景。

为了推进气膜冷却技术阶跃式发展，以满足现在及未来大推力高性能航空发动机涡轮叶片冷却的需求，发展了含化学热沉的气膜冷却新方法。因为碳氢化合物分解可产生积碳问题，所以氨气热分解反应是目前唯一可用于气膜冷却的化学热沉。本课题总结了两个可行的技术方案：其一，以碳酸氢铵作为冷却介质源，其分解为NH3、CO2和H2O的过程可用于回热、混合气预热过程用于内流冷却、NH3高温热解用于强化冷却、H2氧化过程可提供气动补偿；其二，以氨基甲酸铵作为冷却介质源，它分解可产生2NH3+1CO2，因为单位质量可提供多1倍的化学热沉，所以冷却效果优于上一个方案，且便于贮存，更适合于航空发动机携带。. 基于源强化和场协同理论，建立平板气膜冷却模型，采用标准k-ε湍流模型，考虑化学热沉对冷却效率的影响，建立对流换热模型。将反应前后体积变化归纳为修正项，对换热模型进行修正。考虑冷却工质热物性尤其是辐射吸收特性对冷却效率的影响。采用修正后的模型对含有化学热沉新型气膜冷却进行了数值模拟。结果表明，采用纯NH3作为冷却工质时，化学热沉的存在不仅使主流流动方向上的气膜冷却效率得到了显著提高，而且使展向上气膜冷却的覆盖范围得到了扩大；冷却气体对主流向上的排斥作用相对比较强烈；当吹风比为0.5和1.0时，化学热沉气膜冷却方法使得冷却效率维持在较高的水平，超过0.78。当X/D = 30时，相对传统冷却方法，冷却效率分别提高了283.92 % ，152.3 %；新方法使得壁面对流换热系数有所提高；化学反应热和反应速度对冷却效率有较大的影响。同时，对叶片前缘含化学热沉的“冲击+气膜”复合冷却进行数值研究。相对传统复合冷却方法，冷却效率得到较大提高，且在叶片前缘的下游区域提高得更多；化学热沉的存在使得复合冷却效率随着温比的增加而增加。采用草酸作为实验工质，也证实了化学热沉的存在对气膜冷却效率的提高有很明显的作用。. 课题取得的学术成果与预期相符，共计发表相关研究论文（标注资助）10篇，其中SCI收录3篇，EI（不含SCI收录）收录2篇，国际期刊论文3篇，国内核心以上学术期刊3篇。国际会议论文1篇，工程热物理年会论文3篇；申请国家发明专利3项。