萬(wàn)卜銘 黎超超 胡暢

摘要：本文通過(guò)數(shù)值仿真對(duì)比研究了不同單位面積冷氣量下，三種曲率半徑R（15、20、25mm）壁面上氣膜槽與側(cè)向擴(kuò)張孔兩種冷卻方式的冷卻效率及氣膜覆蓋情況。計(jì)算結(jié)果表明，在三種曲率半徑下，氣膜槽在舌片出口段均能形成很好的冷卻氣膜，但其貼壁性較差，覆蓋距離短;當(dāng)R=15mm時(shí)，側(cè)向擴(kuò)張孔冷卻效率起始段明顯劣于氣膜槽，且后段貼壁優(yōu)勢(shì)不明顯;但當(dāng)R增大到20mm以上時(shí)，側(cè)向擴(kuò)張孔氣膜貼壁性好，有效覆蓋距離明顯增大，優(yōu)于傳統(tǒng)氣膜槽。因此根據(jù)回流燃燒室小彎管結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，側(cè)向擴(kuò)張孔可與氣膜槽搭配使用。

關(guān)鍵詞：回流燃燒室;大曲率壁面;氣膜槽;側(cè)向擴(kuò)張孔;冷卻效率 氣膜有效覆蓋情況。

1 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高性能需求使得燃燒室所承受的溫度不斷增加，因此需要更加高效的冷卻方式來(lái)降低火焰筒壁面溫度。回流燃燒室中特有的小彎管結(jié)構(gòu)，屬于大曲率型面，傳統(tǒng)冷卻氣膜容易被吹離，造成小彎管壁溫過(guò)高。有研究發(fā)現(xiàn)[1][2]，側(cè)向擴(kuò)張孔形成的冷卻氣膜具有較好的貼壁性，因此本文通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)比研究了傳統(tǒng)氣膜槽與側(cè)向擴(kuò)張孔兩種冷卻方式的優(yōu)與劣。

文獻(xiàn)[3]數(shù)值研究一種雙出口的氣膜冷卻孔，得到不同次孔偏轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)的最佳吹風(fēng)比，綜合考慮后得出高吹風(fēng)比時(shí)，次孔偏轉(zhuǎn)角40°時(shí)冷卻效率最佳。文獻(xiàn)[4]數(shù)值研究了不同橫向擴(kuò)張角的扇形氣膜孔在不同吹風(fēng)比下的冷卻效率，發(fā)現(xiàn)橫向擴(kuò)張角和吹風(fēng)比的增大都會(huì)導(dǎo)致下游冷卻效率下降，但適當(dāng)增加擴(kuò)張角能擴(kuò)張冷卻氣膜的覆蓋面積。文獻(xiàn)[5]試驗(yàn)研究了氣膜-發(fā)散組合冷卻結(jié)構(gòu)的冷卻特征，得到了不同氣動(dòng)參數(shù)對(duì)換熱系數(shù)的影響及三種排布方式的冷卻效率。文獻(xiàn)[6]為提高冷卻效率，對(duì)多段擴(kuò)張孔的孔型進(jìn)行了優(yōu)化，得到孔長(zhǎng)=90mm，流向擴(kuò)張角=20°，側(cè)向擴(kuò)張角=5°時(shí)冷卻效率達(dá)到最大值。

綜上可知，目前對(duì)于各類異型孔的研究主要為孔型優(yōu)化及平板冷卻效率研究，側(cè)向擴(kuò)張孔在氣膜覆蓋性的優(yōu)勢(shì)對(duì)于回流燃燒室大曲率壁面冷卻具有研究?jī)r(jià)值。因此本文通過(guò)數(shù)值計(jì)算研究了三種曲率半徑下（R=15、20、25mm）傳統(tǒng)氣膜槽與側(cè)向擴(kuò)張孔冷卻效率及2 研究方案及幾何模型

不同曲率半徑壁面上兩種冷卻方式當(dāng)量開孔面積及目標(biāo)冷卻區(qū)域面積保持一致。其中，側(cè)向擴(kuò)張孔擴(kuò)張角為25°，傾角為20°。研究方案如表1所示，側(cè)向擴(kuò)張孔與氣膜槽對(duì)比研究模型如圖1所示。

3 計(jì)算方法

3.1 湍流模型

本文選用適用于射流計(jì)算的Realizable k-ε湍流模型搭配標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)開展數(shù)值研究，壓力-速度耦合求解器采用SIMPLEC算法，對(duì)流項(xiàng)差分格式均采用二階迎風(fēng)格式，收斂標(biāo)準(zhǔn)為各項(xiàng)殘差達(dá)到10-5量級(jí)。

3.2網(wǎng)格劃分及無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

本文使用ICEM軟件對(duì)計(jì)算域進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分，并對(duì)小孔內(nèi)及流體域壁面進(jìn)行局部加密。網(wǎng)格局部加密情況見(jiàn)圖2，使用比例因子將網(wǎng)格整體加密到壁溫不再隨網(wǎng)格尺度發(fā)生變化為止，其中不同曲率半徑及冷卻方案網(wǎng)格總數(shù)不同。

3.3 邊界條件

主次流進(jìn)口均設(shè)為質(zhì)量流量進(jìn)口，次流出口為壁面，主流出口設(shè)為壓力出口。計(jì)算域兩側(cè)設(shè)為周期性邊界，由于計(jì)算工況下氣流最大馬赫數(shù)小于0.3，因此可視為不可壓理想氣體。各計(jì)算工況見(jiàn)表2。其中主流總溫，次流總溫。

4 計(jì)算結(jié)果

圖3為R=20mm壁面上，不同單位面積冷氣量條件下兩種冷卻方式絕熱冷卻效率分布云圖。其中S為曲面弧長(zhǎng)，通過(guò)Z坐標(biāo)換算得到，為橫向平均絕熱冷卻效率，D=0.8mm，即：

圖4為R=15mm與R=20mm壁面在不同單位面積冷卻量下對(duì)比曲線。當(dāng)曲率半徑增大到25mm時(shí)，變化曲線與20mm時(shí)相似，在目標(biāo)冷卻區(qū)域起始位置氣膜槽能形成很好的冷卻氣膜，冷卻效率很高，但該優(yōu)勢(shì)只能持續(xù)到S/D=10mm處，隨著冷氣量的增大，優(yōu)勢(shì)略有增加;而側(cè)向擴(kuò)張孔形成了冷卻氣膜覆蓋距離要優(yōu)于氣膜槽，壁面溫度梯度小，且隨著單位面積冷氣量的不斷增加，中段和后段的優(yōu)勢(shì)越發(fā)明顯。但當(dāng)R=15mm時(shí)，目標(biāo)冷卻區(qū)域變短，增大單位面積冷氣量，對(duì)側(cè)向擴(kuò)張孔的冷卻效率提升效果不明顯，但能明顯增大氣膜槽在起始段的優(yōu)勢(shì)，優(yōu)勢(shì)距離從S/D=5增加到了S/D=17作用，占目標(biāo)冷卻區(qū)域的一半左右。

參考多個(gè)經(jīng)典回流燃燒室小彎管結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)從內(nèi)環(huán)到小彎管過(guò)度部分常使用曲率半徑較?。≧<20mm）的型面轉(zhuǎn)接，與大彎管共同完成流道轉(zhuǎn)折，之后大部分區(qū)域?yàn)橐欢位蚨喽吻拾霃捷^大（R）的型面轉(zhuǎn)接，直至燃燒室出口。因此根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，可以將氣膜槽與側(cè)向擴(kuò)張孔搭配使用，在小彎管起始段，設(shè)計(jì)氣膜槽，氣膜孔孔徑及間距可根據(jù)目標(biāo)冷卻面積確定，在氣膜槽冷氣優(yōu)勢(shì)區(qū)域結(jié)束時(shí)，布置一到兩組側(cè)向擴(kuò)張孔銜接，以此在整個(gè)小彎管壁面上形成致密的冷卻氣膜。

5 結(jié)論

本文數(shù)值研究了不同曲率半徑上氣膜槽與側(cè)向擴(kuò)張孔兩種冷卻方式的絕熱冷卻效率，了解了側(cè)向擴(kuò)張孔優(yōu)異覆蓋性的有效范圍，得到結(jié)論如下：

（1）R=15mm時(shí)，隨著單位面積冷氣量的增加，氣膜槽前段冷卻效率及覆蓋距離提升明顯，但之后冷效下降較快，而側(cè)向擴(kuò)張孔冷卻效率變化不大，當(dāng)R時(shí)，單位冷氣量的增加能明顯提升側(cè)向擴(kuò)張孔的有效覆蓋距離及冷卻效率;

（2）在各曲率半徑上，側(cè)向擴(kuò)張孔形成的冷卻氣膜覆蓋距離均有優(yōu)勢(shì)，但隨著曲率半徑的減小，該優(yōu)勢(shì)逐漸削弱，當(dāng)R減小到15mm時(shí)，側(cè)向擴(kuò)張孔的覆蓋優(yōu)勢(shì)極小，此時(shí)氣膜槽在目標(biāo)冷卻區(qū)域前段優(yōu)勢(shì)明顯;

（3）根據(jù)回流燃燒室小彎管結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可將側(cè)向擴(kuò)張孔與氣膜槽搭配起來(lái)使用。

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