摘要：針對(duì)沖擊-氣膜復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)，采用實(shí)驗(yàn)與數(shù)值方法，對(duì)比了基于圓形氣膜孔的傳統(tǒng)沖擊、延伸沖擊、小距離沖擊、基于扇形氣膜孔的傳統(tǒng)沖擊、延伸沖擊5種復(fù)合冷卻系統(tǒng)的耦合換熱和流動(dòng)特性。采用紅外熱成像技術(shù)，獲得了5種復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)在吹風(fēng)比分別為0.6、1.0、1.5時(shí)外壁面的綜合冷卻有效度，并通過(guò)數(shù)值計(jì)算進(jìn)一步揭示了內(nèi)部冷卻的流動(dòng)和換熱特征。研究結(jié)果表明：在不產(chǎn)生額外氣動(dòng)損失的前提下，延伸沖擊孔結(jié)構(gòu)可提升內(nèi)部冷卻的換熱系數(shù)，進(jìn)而小幅度提升壁面的綜合冷卻有效度，幅度為1.2% ～ 4.6%，但隨著冷氣量的增大綜合冷卻有效度提升幅度有所減小；減小沖擊距離能夠提升內(nèi)部沖擊換熱效果，但不會(huì)對(duì)綜合冷卻有效度產(chǎn)生明顯影響；采用扇形氣膜孔可大幅度提升外部氣膜冷卻性能，且提升幅度大于采用延伸沖擊內(nèi)部改進(jìn)結(jié)構(gòu)的。相較于傳統(tǒng)的圓形氣膜孔-沖擊復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)，在相同冷氣量條件下，基于扇形孔的延伸沖擊改進(jìn)方案可將壁面的面平均綜合冷卻有效度提高7.6% ～ 8.5%，并將系統(tǒng)的流量系數(shù)提升30%以上。

關(guān)鍵詞：耦合換熱；延伸沖擊；氣膜冷卻；綜合冷卻有效度

中圖分類號(hào)：V231.1"文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.7652/xjtuxb202410014"文章編號(hào)：0253-987X（2024）10-0156-12

Conjugate Heat Transfer of Extended Jet Impingement and Fan-Shaped

Film Hole Composite Structure Experimental and Computational Approaches

WU Hang1，2， YANG Xing1，2， CAI Haiyang1，2， LIU Zhao1，2， FENG Zhenping1，2

（1. School of Energy and Power Engineering， Xi’an Jiaotong University， Xi’an 710049， China; 2. Shaanxi Engineering

Laboratory of Turbomachinery and Power Equipment， Xi’an 710049， China）

Abstract：For the impingement-film composite cooling structure， the conjugate heat transfer and flow characteristics of five composite cooling systems， including traditional jet impingement， extended jet impingement， and small-distance jet impingement， in combination with cylindrical film holes and fan-shaped film holes， are compared by using experimental and computational approaches. Infrared thermography is used in experiments to obtain overall cooling effectiveness of the outer wall surface under three blowing ratios： 0.6， 1.0 and 1.5. The computational approach is used to further reveal the flow and heat exchange characteristics of internal cooling details. Results show that the extended jet impingement hole structure can enhance the internal heat transfer coefficient without generating additional aerodynamic losses， which in turn improves overall cooling effectiveness by a small amount， ranging from 1.2% to 4.6%， but the improvement decreased with the increase of the coolant mass flow rate， that reducing the impingement distance can enhance the internal impingement heat transfer performance， which had no significant effect on overall cooling effectiveness and that the use of fan-shaped film holes can significantly improve the external film cooling performance， and the enhancement was greater than that through the internal optimization structure using extended jet holes. Compared with the traditional composite cooling structure of cylindrical film holes combined with impingement， the extended jet impingement scheme based on fan-shaped holes can improve the area-averaged overall cooling effectiveness by 7.6% to 8.5% and improve discharge coefficient by more than 30% under the same amount of coolant.

Keywords：conjugate heat transfer; extended jet impingement; film cooling; overall cooling effectiveness

沖擊-氣膜復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)是一種常見的葉片冷卻強(qiáng)化技術(shù)，其結(jié)合內(nèi)、外多種冷卻方式，對(duì)冷氣的冷卻潛能利用更充分，因此廣泛應(yīng)用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室襯板和渦輪葉片前緣、中弦和端壁等區(qū)域的熱防護(hù)中。復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)涉及沖擊冷卻、擾流柱、孔內(nèi)對(duì)流換熱和氣膜冷卻，各冷卻環(huán)節(jié)相互影響，產(chǎn)生了復(fù)雜的耦合換熱過(guò)程。掌握影響其冷卻性能的關(guān)鍵因素，有助于研發(fā)人員有針對(duì)性地優(yōu)化各冷卻環(huán)節(jié)。

目前，考慮固體導(dǎo)熱的耦合換熱是研究復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)綜合冷卻性能的主要方法。文獻(xiàn)［1-2］對(duì)比了有、無(wú)沖擊冷卻時(shí)復(fù)合層板結(jié)構(gòu)的冷卻特性，發(fā)現(xiàn)沖擊-氣膜共同作用時(shí)冷卻效果更好，外表面溫度更低。Jung等［3］指出畢渥數(shù)，即沖擊靶面的熱導(dǎo)率也是影響復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)金屬表面溫度分布的重要因素。Tan等［4］通過(guò)調(diào)整沖擊孔與氣膜孔之間的排列方式與節(jié)距，形成了叉排和直列順排兩種方式，研究結(jié)果表明：隨著吹氣比增加，叉排和順排的冷效均升高，但叉排的冷效值始終比順排更高且更均勻，這種現(xiàn)象在孔節(jié)距較小時(shí)比較明顯。文獻(xiàn)［5-6］強(qiáng)調(diào)，當(dāng)沖擊孔出口正對(duì)氣膜孔進(jìn)口時(shí)，冷氣會(huì)直接從氣膜孔中排出，從而減小了沖擊高換熱區(qū)的面積，降低了冷氣的利用率，在復(fù)合冷卻設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免。Rao等［7］在沖擊-氣膜復(fù)合冷卻中進(jìn)一步增加擾流柱結(jié)構(gòu)，通過(guò)增加內(nèi)部換熱面積略微提升了冷卻水平，但壓力損失大幅度增加，得不償失。文獻(xiàn)［8-9］拓展了沖擊-氣膜復(fù)合冷卻在葉片前緣的應(yīng)用前景。Liu等［10］系統(tǒng)研究了調(diào)整氣膜孔直徑、復(fù)合角、吹風(fēng)比等外部冷卻參數(shù)對(duì)雙層壁冷效的影響趨勢(shì)?？梢钥闯?，上述對(duì)復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)的研究往往著眼于外部冷卻設(shè)計(jì)的調(diào)整，鮮有針對(duì)內(nèi)部冷卻設(shè)計(jì)的優(yōu)化。事實(shí)上，內(nèi)部沖擊冷卻對(duì)于復(fù)合結(jié)構(gòu)冷卻性能的貢獻(xiàn)同樣重要，因此有必要同時(shí)關(guān)注內(nèi)部冷卻的強(qiáng)化設(shè)計(jì)。

陣列沖擊射流的主要影響因素有沖擊雷諾數(shù)Re、沖擊孔間距xn/d和yn/d、沖擊距離zn/d以及橫流等［11］。為強(qiáng)化內(nèi)部沖擊冷卻性能，并降低上游橫流對(duì)下游射流的不利影響，學(xué)者們提出了多種新穎的強(qiáng)化沖擊結(jié)構(gòu)，包括傾斜沖擊［12］、變節(jié)距陣列沖擊［13］、波紋沖擊板［14-15］、多級(jí)沖擊冷卻［16］與延伸沖擊孔［14，17-20］。其中，延伸沖擊孔使射流出口貼近沖擊靶面，能夠削弱沖擊射流動(dòng)量的耗散，提升沖擊換熱水平，且不改變?cè)械臎_擊腔高度，降低了橫流的不利影響，在內(nèi)部冷卻應(yīng)用中效果顯著。Esposito等［14］通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比了傳統(tǒng)沖擊冷卻、波紋沖擊板與延伸沖擊的靶面換熱分布，結(jié)果表明，延伸沖擊孔可緩解橫流對(duì)下游沖擊的偏轉(zhuǎn)作用，相對(duì)于傳統(tǒng)沖擊冷卻與波紋沖擊板，換熱系數(shù)分別提升了40%、20%以上。Tepe等［17］從流動(dòng)阻力和綜合換熱性能的角度全面評(píng)價(jià)了延伸沖擊孔，當(dāng)沖擊腔高度為6倍孔直徑時(shí)，延伸孔的最佳長(zhǎng)度為3～4倍孔徑。吳航等［18］則在更接近發(fā)動(dòng)機(jī)幾何結(jié)構(gòu)的小沖擊高度下探索了最佳的延伸孔長(zhǎng)度。Yang等［19-20］設(shè)計(jì)了一種沿流向逐漸伸長(zhǎng)的漸進(jìn)延伸孔，在強(qiáng)橫流條件下開展了換熱實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)沖擊冷卻相比，漸進(jìn)延伸孔的局部換熱峰值明顯更高，盡管延伸孔需要更高的泵功來(lái)驅(qū)動(dòng)，但強(qiáng)化換熱帶來(lái)的增益遠(yuǎn)超流動(dòng)損失。但是，上述公開文獻(xiàn)主要針對(duì)延伸沖擊孔自身的單獨(dú)作用開展研究，而沒有考慮其與外部氣膜抽吸和固體導(dǎo)熱共同存在時(shí)的耦合換熱特性，這與燃燒室和渦輪葉片等熱端部件的工程設(shè)計(jì)需求明顯不符。

由于內(nèi)部沖擊冷卻、孔內(nèi)對(duì)流、外部氣膜抽吸和固體導(dǎo)熱等組成的耦合效應(yīng)非常復(fù)雜，會(huì)顯著改變流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響延伸沖擊的局部換熱水平與分布，本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值方法對(duì)比驗(yàn)證了傳統(tǒng)沖擊、延伸沖擊、小距離沖擊、扇形氣膜孔-延伸沖擊和扇形氣膜孔-傳統(tǒng)沖擊5種復(fù)合冷卻系統(tǒng)的耦合換熱和流動(dòng)特性，揭示了內(nèi)、外冷卻性能的耦合作用規(guī)律，最終得到了一種冷卻性能更佳、流動(dòng)損失更小的延伸沖擊-扇形氣膜孔復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)，以期為下一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室和高壓渦輪葉片的高效冷卻設(shè)計(jì)提供借鑒。

1"實(shí)驗(yàn)與數(shù)值方法

1.1"沖擊-氣膜復(fù)合冷卻實(shí)驗(yàn)臺(tái)

沖擊-氣膜復(fù)合冷卻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括主流、冷氣與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如圖1所示［21-22］。主流由4臺(tái)壓氣機(jī)提供，壓縮空氣依次經(jīng)過(guò)擴(kuò)壓段和整流蜂窩網(wǎng)以確保來(lái)流均勻，并流經(jīng)湍流柵格后進(jìn)入寬為180mm、高為120mm的實(shí)驗(yàn)段。依據(jù)文獻(xiàn)［23］歸納的湍流柵格設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式，選擇合適的湍流柵格直徑與節(jié)距，確保復(fù)合冷卻實(shí)驗(yàn)件第一排氣膜孔處平均湍流強(qiáng)度為5.0%。主流進(jìn)口的溫度、壓力、速度分別采用T型熱電偶、總壓探針和皮托管測(cè)量。主流通道上方開設(shè)紅外玻璃窗口用于紅外熱像儀拍攝。主流入口平均溫度為288K，平均速度為17.6m/s，根據(jù)入口速度和氣膜孔直徑，得到的進(jìn)口雷諾數(shù)為3500，主流出口為1個(gè)大氣壓。

實(shí)驗(yàn)采用CO2作為二次流，依次經(jīng)過(guò)質(zhì)量流量計(jì)與換熱器后溫度達(dá)到323K。二次流與主流的密度比rDR為1.5，接近發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際條件。在供氣腔側(cè)壁布置兩個(gè)引壓管與T型熱電偶，用于測(cè)量冷氣入口的壓力和溫度。二次流管道和腔室均被保溫棉包裹，以減少熱損失并提供更均勻的溫度。

本研究復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)圖2（a）所示，氣膜孔與沖擊孔均叉排布置，流向上布置7排孔，且沖擊孔與氣膜孔之間交錯(cuò)排列。氣膜孔直徑Df=3mm，射流角θ=30°，沖擊孔直徑Di =3.5mm，流向間距Px=10Df，展向間距Py=5Df，沖擊板和氣膜板的厚度均為10mm。為避免邊緣效應(yīng)的影響，以中間2排孔所在位置作為測(cè)量區(qū)域，并作為后續(xù)線平均與面平均數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)區(qū)域。將第一排氣膜孔出口圓心為無(wú)量綱軸向位置x/Df=0，則沖擊孔實(shí)際布置區(qū)域大致為x/Df=－5～25。

本文重點(diǎn)關(guān)注耦合換熱條件下延伸沖擊孔的強(qiáng)化冷卻性能，考慮了5組冷卻結(jié)構(gòu)，分別為基于圓形氣膜孔的延伸沖擊（CEX）、傳統(tǒng)沖擊（C3D）、小距離沖擊（C1D），以及基于扇形氣膜孔的傳統(tǒng)沖擊（F3D）、延伸沖擊（FEX），分別如圖2（b）所示。在延伸沖擊孔結(jié)構(gòu)中，沖擊高度H=3Di，延伸孔長(zhǎng)度L=2Di，將傳統(tǒng)沖擊的沖擊高度H=3Di與小距離沖擊H=Di作為內(nèi)部冷卻對(duì)照組。與C3D相比，F(xiàn)3D僅將外部氣膜孔型變?yōu)樯刃?，具體采用7-7-7型孔［24］。金屬外壁面為本文關(guān)注的測(cè)量面，內(nèi)表面為沖擊靶面。

為使實(shí)驗(yàn)獲得的綜合冷卻有效度更好地代表航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪端壁的實(shí)際耦合換熱過(guò)程，將實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷耐?、?nèi)換熱系數(shù)之比h∞/hi、畢渥數(shù)Bi與實(shí)際情況進(jìn)行了匹配，如表1所示。在幾何參數(shù)、流動(dòng)工況合理縮放和匹配后，h∞/hi將自動(dòng)匹配，氣膜板選用316L不銹鋼材料。為了盡可能地降低熱損失，冷氣供氣腔和沖擊板采用導(dǎo)熱系數(shù)為0.2W·m－1·K－1的樹脂材料3D打印而成。

1.2"測(cè)量方法與不確定度分析

采用紅外熱像儀FLIR T865測(cè)量金屬的外壁面溫度，儀器的分辨率為640×480像素，實(shí)際測(cè)量時(shí)的物理分辨率為4像素/mm，工作波長(zhǎng)為7.5～14μm。選用鍍膜鍺片作為紅外窗口，可保證在工作波長(zhǎng)范圍內(nèi)有90%以上的透射率。采用紅外熱像儀測(cè)溫前，使用T型熱電偶先對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)前，使用啞光黑漆均勻地噴涂于金屬外壁面，以保證全表面發(fā)射率均勻。標(biāo)定時(shí)，利用加熱膜使表面溫度在實(shí)驗(yàn)測(cè)量范圍內(nèi)變化，并在壁面相同位置處同時(shí)讀取熱電偶測(cè)點(diǎn)溫度T和紅外熱像儀的溫度TIR，得到多組一一對(duì)應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)，處理得到如圖3所示的標(biāo)定曲線。圖中給出了擬合得到標(biāo)定曲線的具體表達(dá)式以及決定系數(shù)R2=0.9999，表明擬合曲線可精確完成紅外溫度數(shù)據(jù)的標(biāo)定。

綜合冷卻有效度（以下簡(jiǎn)稱綜合冷效）是一個(gè)無(wú)量綱溫度參數(shù)，用來(lái)評(píng)估耦合換熱條件下復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)的冷卻效果，定義如下

Φ=T∞－TwT∞－Tc， in（1）

式中：Tw為金屬壁面溫度；T∞、Tc，in分別為T型熱電偶測(cè)量的主流溫度和冷氣溫度。

本實(shí)驗(yàn)采用I級(jí)精度的T型熱電偶，在－40～125℃測(cè)量范圍內(nèi)，測(cè)量誤差為0.5℃，由標(biāo)定公式可知，紅外熱像儀測(cè)得壁溫的不確定度絕對(duì)值不大于0.5℃。根據(jù)文獻(xiàn)［25］的實(shí)驗(yàn)誤差分析方法，綜合冷卻有效度為 0.15、0.75兩個(gè)典型值時(shí)的相對(duì)不確定度分別為14.0%、2.6%。

1.3"參數(shù)定義

外部氣膜冷卻吹風(fēng)比定義為

M=c/Ac∞/A∞（2）

式中：c、∞分別為冷氣和主流的質(zhì)量流量；Ac、A∞分別為氣膜孔和主流通道的通流面積。

內(nèi)部沖擊雷諾數(shù)是與外部氣膜冷卻吹風(fēng)比對(duì)應(yīng)的參數(shù)，定義為

Rej=4cπDiμN(yùn)（3）

式中：μ為射流的動(dòng)力黏性系數(shù)；N為沖擊孔個(gè)數(shù)。本文選取了3組吹風(fēng)比M=0.6，1.0，1.5，對(duì)應(yīng)的沖擊雷諾數(shù)Rej=2050，3400，5100。

采用靶面努塞爾數(shù)衡量?jī)?nèi)部沖擊冷卻的換熱系數(shù)，可寫為

Nu=qwDi（Tw，in－Tc）λ（4）

式中：qw為壁面熱流密度；Tc為射流入口總溫；Tw，in為靶面溫度；λ為冷卻工質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)。

采用無(wú)量綱溫度θ來(lái)衡量主流與冷氣的局部混合程度，該數(shù)值越接近1，表明流體域局部冷氣越多，固體域冷卻效果越好，定義為

θ=T∞－TlT∞－Tc， in（5）

式中：Tl為局部溫度；Tc，in為冷氣進(jìn)口溫度。

采用流量系數(shù)Cd衡量整個(gè)沖擊-氣膜復(fù)合冷卻系統(tǒng)的流動(dòng)損失，定義為

Cd=mi（6）

i=AcPt，c（Ps/Pt，c）（κ+1）/2κ·

2κ（κ－1）RTc，in［（Pt，c/Ps）（κ－1）/κ－1］ （7）

式中：m、i分別為實(shí)際測(cè)量和理想的冷氣質(zhì)量流量；Ac為冷氣出流面積，即氣膜孔出口面積之和；R、κ分別為冷氣的氣體常數(shù)和絕熱系數(shù)；Pt，c、Ps分別為沖擊入口總壓與氣膜孔出口靜壓，兩者之差即為復(fù)合冷卻系統(tǒng)的壓降。

1.4"數(shù)值計(jì)算模型與網(wǎng)格劃分

本文結(jié)合數(shù)值計(jì)算來(lái)補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)中難以獲得的內(nèi)部強(qiáng)化換熱特征與流動(dòng)機(jī)理。沖擊-氣膜復(fù)合冷卻數(shù)值計(jì)算模型的計(jì)算域與邊界條件如圖4所示，模型只繪制中間兩排孔，兩側(cè)為周期性邊界條件，沖擊孔、氣膜孔與主流流道等幾何尺寸均與實(shí)驗(yàn)一致。主流工質(zhì)為空氣，入口溫度和速度邊界條件與實(shí)驗(yàn)相同，主流出口為大氣壓力。冷氣工質(zhì)設(shè)置為CO2，在冷氣入口處給定與實(shí)驗(yàn)相同的質(zhì)量流量和總溫條件，壁面材料選用316L不銹鋼，導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)置為溫度的函數(shù)。固體-流體接觸面，如外壁面、內(nèi)部沖擊靶面與氣膜孔面等設(shè)置為熱耦合交界面，其余面均設(shè)置為絕熱面。利用商用軟件 ANSYS CFX求解穩(wěn)態(tài)條件下的三維可壓縮雷諾時(shí)均方程。

數(shù)值模型采用ANSYS Mesh軟件生成非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，主流區(qū)域?yàn)樗拿骟w，在氣膜孔、沖擊孔與壁面局部加密，壁面邊界層用棱柱體填充，第一層網(wǎng)格高度為0.005mm，保證y+lt;1.5。針對(duì)延伸沖擊結(jié)構(gòu)，分別采用630萬(wàn)、1180萬(wàn)、1950萬(wàn)依次細(xì)化的網(wǎng)格數(shù)開展網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。驗(yàn)證工況的冷氣吹風(fēng)比為1.0，將綜合冷效沿著橫向（y軸）進(jìn)行平均并沿著流向（x軸）繪制，得到3套網(wǎng)格的橫向平均綜合冷卻有效度，如圖5所示，可知當(dāng)網(wǎng)格數(shù)達(dá)到1180萬(wàn)時(shí)，繼續(xù)提升網(wǎng)格數(shù)，壁面綜合冷效基本不再發(fā)生變化。因此，選用網(wǎng)格數(shù)為1180萬(wàn)開展后續(xù)計(jì)算，其中流體域1080萬(wàn)，固體域100萬(wàn)，其他模型的網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置均與此相同。

1.5"湍流模型驗(yàn)證

前人的研究結(jié)果表明，SST k-ω湍流模型對(duì)沖擊-氣膜復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)的耦合換熱特性具有良好的預(yù)測(cè)精度［1，5，7，10］。為此，本文采用SST k-ω湍流模型，以延伸沖擊M=1.5工況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。圖6對(duì)比了實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值模擬的壁面綜合冷效分布，數(shù)值選取的湍流模型對(duì)壁溫的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)具有高度相似性，正確捕捉到了固體橫向?qū)岬姆秶c強(qiáng)度，可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)壁面的綜合冷效水平和流場(chǎng)細(xì)節(jié)。

圖6（b）進(jìn)一步定量比較了中間一排氣膜孔中心線上的綜合冷效，可知數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)測(cè)量之間的綜合冷效局部值非常接近，且沿流向的變化趨勢(shì)相似。因此，本文所有后續(xù)計(jì)算均采用 SST k-ω湍流模型。

2"結(jié)果與討論

本節(jié)將結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)量與數(shù)值模擬結(jié)果，充分對(duì)比基于外部扇形氣膜孔改進(jìn)與內(nèi)部沖擊結(jié)構(gòu)改進(jìn)下的壁面綜合冷效、內(nèi)部強(qiáng)化換熱分布、壓力損失系數(shù)、氣膜孔出口流場(chǎng)與溫度場(chǎng)，以全面衡量扇形氣膜孔與延伸沖擊組合應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。

2.1"耦合換熱特性

圖7展示了實(shí)驗(yàn)測(cè)量的5種冷卻結(jié)構(gòu)在3個(gè)吹風(fēng)比工況下的壁面綜合冷效分布云圖。相應(yīng)地，為了量化冷氣質(zhì)量流量的影響，綜合冷效的橫向平均值沿流向x軸的變化曲線如圖8所示，圖中豎直方向的7條灰色條帶對(duì)應(yīng)7排氣膜孔的出口位置。由圖7、8可知，在不同內(nèi)部沖擊冷卻結(jié)構(gòu)下，隨著吹風(fēng)比的增加，整個(gè)壁面的綜合冷卻效果都有所提高，且延伸沖擊和高低沖擊距下沿流向的橫向平均綜合冷效的變化趨勢(shì)均很相似，即綜合冷效先增加，然后再向下游逐漸降低，該值的增加主要得益于內(nèi)部沖擊換熱、孔內(nèi)對(duì)流換熱的提升及固體的導(dǎo)熱作用。在絕熱條件下，圓形氣膜冷效的最佳吹風(fēng)比約在0.6附近，扇形氣膜冷效的最佳吹風(fēng)比約在1.5附近，繼續(xù)提高冷氣量會(huì)降低冷氣射流的附壁性，反而惡化氣膜冷卻效果［26］。在本研究的耦合換熱條件下，由于內(nèi)部沖擊冷卻與孔內(nèi)換熱的存在，綜合冷效會(huì)隨吹風(fēng)比的提高而持續(xù)提升，這也表明內(nèi)部沖擊冷卻特性是影響沖擊/氣膜復(fù)合結(jié)構(gòu)冷卻效果的主導(dǎo)因素。另一方面，在固體導(dǎo)熱作用下，外壁面也不會(huì)呈現(xiàn)出和絕熱氣膜冷效一樣明顯的高冷效射流軌跡，綜合冷效更加均勻。以上兩點(diǎn)也是氣膜冷卻流熱耦合研究與絕熱研究的主要區(qū)別，總體來(lái)看，在3個(gè)吹風(fēng)比工況下，結(jié)合扇形孔與延伸沖擊兩種內(nèi)外改進(jìn)的FEX模型均擁有最高的綜合冷效值。

由圖8可以看出：所有工況下綜合冷效高值區(qū)域更多地集中在壁面中心區(qū)域（x/Df=15～30，y/Df= －2～2）且向四周遞減，邊緣處最低，這主要是因?yàn)橹行膮^(qū)域是沖擊孔作用的核心位置，冷卻最好；壁面四周位于沖擊邊緣，內(nèi)部換熱系數(shù)降低，且固體會(huì)向更遠(yuǎn)處未被冷卻措施覆蓋的區(qū)域?qū)?，進(jìn)而中心溫度高，四周溫度低，這是耦合換熱的機(jī)理所致。

在相同吹風(fēng)比條件下，圖9給出了5種冷卻結(jié)構(gòu)的橫向平均綜合冷效。通過(guò)對(duì)比C3D與C1D的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在H=1～3Di范圍內(nèi)，增大或減小沖擊距離對(duì)綜合冷效的影響有限。而將CEX與上述兩者進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，延伸沖擊綜合冷效的局部提升僅在壁面中心區(qū)域幅度較大，最高可達(dá)5%，而在x/Dflt;5和x/Dfgt;30的上下游沖擊邊緣位置，改進(jìn)沖擊結(jié)構(gòu)的提升并不明顯，這說(shuō)明僅在沖擊孔作用的核心區(qū)域x/Df=15～30對(duì)內(nèi)部冷卻進(jìn)行改進(jìn)，才能對(duì)冷卻性能的提升發(fā)揮作用。

進(jìn)一步對(duì)比兩種扇形氣膜孔與其他3種圓形氣膜孔結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，扇形氣膜孔-傳統(tǒng)沖擊結(jié)構(gòu)與圓形氣膜孔-延伸沖擊在x/Df=15～20的位置有一個(gè)冷卻性能的分水嶺，在x/Dflt;15～20的上游處CEX結(jié)構(gòu)的綜合冷效更高，而x/Dfgt;15～20下游處F3D結(jié)構(gòu)的綜合冷效更高。這主要由于上游前兩排孔處冷卻氣膜并沒有充分形成，扇形氣膜孔的外部冷卻優(yōu)勢(shì)沒有完全展現(xiàn)，因而上游處擁有更強(qiáng)內(nèi)部冷卻性能的CEX結(jié)構(gòu)的綜合冷效會(huì)更高。在下游第5、6排氣膜孔的位置，冷卻氣膜充分發(fā)展，扇形氣膜孔的冷卻優(yōu)勢(shì)得以展現(xiàn)，并且x/Dfgt;15～20的下游已位于內(nèi)部沖擊冷卻的邊緣區(qū)，因而下游處F3D結(jié)構(gòu)的綜合冷效更高。這也表明沖擊-氣膜復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)中，有效的沖擊與氣膜冷卻改進(jìn)設(shè)計(jì)均可以發(fā)揮重要作用。得益于附壁性更好的外部氣膜冷卻特性與內(nèi)部強(qiáng)化換熱特性，扇形孔-延伸沖擊結(jié)構(gòu)在流向10lt;x/Dflt;30范圍內(nèi)的冷卻性能明顯高于其他4種結(jié)構(gòu)，且隨著吹風(fēng)比的增大，冷效提升愈加明顯；相反地，圓形氣膜孔-延伸沖擊結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)沖擊結(jié)構(gòu)之間的冷效差值隨著吹風(fēng)比的增大而減小，在高吹風(fēng)比時(shí)幾乎可忽略不計(jì)。

圖10給出了圖7中云圖展示區(qū)域的面積平均綜合冷效對(duì)比。由圖10可知：FEX結(jié)構(gòu)的面平均綜合冷效比F3D的高約2%，比CEX的高3.5%～7.2%，比傳統(tǒng)的C3D結(jié)構(gòu)高7.6%～8.5%；CEX結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)沖擊結(jié)構(gòu)C3D有小幅度提升，提升幅度約為1.2%～4.6%。

2.2"內(nèi)部強(qiáng)化換熱特性

為了更好地理解延伸沖擊和沖擊間距對(duì)綜合冷效的影響機(jī)理，本節(jié)選取圓形氣膜孔對(duì)應(yīng)的3種冷卻結(jié)構(gòu)，討論數(shù)值計(jì)算得到的內(nèi)部換熱分布和流場(chǎng)、溫度場(chǎng)。

3種內(nèi)部沖擊冷卻結(jié)構(gòu)的靶面努塞爾數(shù)分布云圖如圖11所示，可以看到叉排陣列射流的典型Nu數(shù)的分布特征為：沖擊駐點(diǎn)區(qū)湍流度高且邊界層被破壞，發(fā)生強(qiáng)烈的換熱，此時(shí)存在換熱峰值，在駐點(diǎn)區(qū)外的射流形成壁面射流，因而速度逐漸減低，換熱系數(shù)逐漸降低。圖11（b）、11（c）兩種沖擊距離的對(duì)比表明，隨著沖擊距離增大，滯止區(qū)附近的換熱顯著減小，射流從沖擊孔流出后，由于剪切流動(dòng)與周圍流體產(chǎn)生動(dòng)量交換，隨著射流距離的增加，射流核心區(qū)速度逐漸下降，導(dǎo)致?lián)Q熱降低，這種現(xiàn)象在高射流雷諾數(shù)下的對(duì)比更為明顯。圖11（a）所示的延伸沖擊在沖擊駐點(diǎn)區(qū)也形成明顯的換熱峰值，換熱分布情況與小距離沖擊的結(jié)果更加接近，這體現(xiàn)了延伸沖擊的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，即在不改變沖擊腔高度的前提下，提升射流抵達(dá)靶面時(shí)的峰值速度。此外，射流孔之間的邊緣區(qū)域存在換熱低谷值，且x/Dfgt;25后的區(qū)域由于沒有布置沖擊孔，下個(gè)節(jié)距不再存在強(qiáng)烈的沖擊換熱，導(dǎo)致外部綜合冷效在x/Dfgt;25后快速降低。

圖12展示了不同射流雷諾數(shù)下3種冷卻結(jié)構(gòu)靶面的橫向平均努塞爾數(shù)分布，無(wú)量綱軸向坐標(biāo)與研究外部綜合冷效時(shí)選取一致，圖中豎直方向的7條藍(lán)色條帶對(duì)應(yīng)7排沖擊孔的位置。射流雷諾數(shù)作為最基本的氣動(dòng)參數(shù)，主要通過(guò)影響射流速度來(lái)影響換熱特性。由圖12可見，3種冷卻結(jié)構(gòu)下，靶面努塞爾數(shù)均隨雷諾數(shù)的增大而增大，射流駐點(diǎn)區(qū)域?yàn)閾Q熱峰值，而谷值位于兩排沖擊孔之間，射流駐點(diǎn)區(qū)的換熱系數(shù)隨雷諾數(shù)增加尤為明顯。

3種冷卻結(jié)構(gòu)在不同雷諾數(shù)下靶面的橫向平均努塞爾數(shù)分布如圖13所示，可知大沖擊距離時(shí)靶面換熱系數(shù)最低，而延伸沖擊與小距離沖擊主要提升了靶面滯止區(qū)的換熱峰值。Rej=2050時(shí)，相較于大沖擊距離的傳統(tǒng)沖擊，延伸與小距離沖擊的靶面面積平均努塞爾數(shù)分別提升了12.5%、11.1%；Rej=5100時(shí)，提升幅度縮減為9.6%、7.2%?？傮w而言，隨著雷諾數(shù)的增大，采用延伸沖擊或減小距離沖擊，均降低了內(nèi)部冷卻的提升幅度。

圖14、圖15分別展示了Rej=3400時(shí)3種冷卻結(jié)構(gòu)孔中心截面上的速度與無(wú)量綱溫度分布云圖，此截面位于中間排氣膜孔與沖擊孔之間的中心位置。對(duì)比圖14（b）、（c）可知：在大沖擊距離下，射流抵達(dá)壁面后速度有所降低，最終導(dǎo)致如圖11所反映出的冷卻性能的衰退；而在延伸沖擊與小距離沖擊下，抵達(dá)靶面時(shí)射流核心區(qū)速度較高，換熱較強(qiáng)。由圖15可知，在氣膜射流與主流摻混后，在近外壁面區(qū)域形成一層冷卻氣膜，并且沿著流向氣膜逐漸增厚且溫度逐漸降低，但壁面外表面溫度卻沒有隨之下降，這是因?yàn)橄掠挝恢靡呀?jīng)超出內(nèi)部沖擊的作用范圍，這也反映出沖擊冷卻是影響壁面綜合冷效的重要因素。此外，由于固體的橫向?qū)嶙饔?，壁面外?cè)的溫度梯度略小于內(nèi)側(cè)靶面。

2.3"流動(dòng)損失特性

本節(jié)采用流量系數(shù)Cd衡量整個(gè)沖擊-氣膜復(fù)合冷卻系統(tǒng)的流動(dòng)損失。圖16給出了不同冷卻結(jié)構(gòu)下系統(tǒng)流量系數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。沖擊冷卻孔的典型Cd為0.84［19］，傾斜角為30°的圓形氣膜孔的典型Cd為0.74［26］。由于本研究考慮了沖擊射流和氣膜射流共同作用下的壓力損失，因此流量系數(shù)更小。

由圖16可知，延伸沖擊與減小距離沖擊等內(nèi)部改進(jìn)措施不會(huì)產(chǎn)生明顯的額外壓力損失，而氣膜孔型的改變對(duì)Cd有著顯著影響。一方面，扇形孔有更大的通流面積，大大降低了氣膜孔內(nèi)的流動(dòng)損失；另一方面，沖擊系統(tǒng)的壓力損失主要發(fā)生在沖擊孔入口收縮流動(dòng)和出口擴(kuò)張流動(dòng)過(guò)程，而沖擊距離的影響相對(duì)較小。因此，CEX、C3D、C1D結(jié)構(gòu)的流量系數(shù)幾乎一致，而FEX、F3D結(jié)構(gòu)的流動(dòng)損失較前三者明顯更低，降低幅度達(dá)30%以上。

3"結(jié)"論

采用實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值模擬方法，研究了改進(jìn)內(nèi)部沖擊及外部氣膜孔型對(duì)沖擊-氣膜復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)流動(dòng)與換熱特性的影響，詳細(xì)分析了外壁面綜合冷效、靶面內(nèi)部換熱系數(shù)、流場(chǎng)和溫度場(chǎng)以及流動(dòng)損失的變化規(guī)律，并與傳統(tǒng)復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，表明結(jié)合內(nèi)外兩種改進(jìn)的延伸沖擊-扇形氣膜孔復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)具有最佳的冷卻性能。得到的主要結(jié)論如下。

（1） 與采用傳統(tǒng)內(nèi)部沖擊冷卻的復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)相比，延伸沖擊可以提升內(nèi)部冷卻的換熱系數(shù)，進(jìn)而小幅度提升壁面的綜合冷效。然而，隨著冷氣量的增大，冷效的提高幅度變小，減小沖擊距離會(huì)提升內(nèi)部沖擊換熱效果，但不會(huì)對(duì)綜合冷效產(chǎn)生明顯的影響。

（2） 采用扇形氣膜孔可以有效提高復(fù)合冷卻系統(tǒng)的冷卻性能。結(jié)合扇形孔和延伸沖擊兩種內(nèi)、外改進(jìn)的FEX結(jié)構(gòu)方案具有最高的綜合冷效效果，相較于傳統(tǒng)的圓形氣膜孔-沖擊復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)，效果提高了7.6%～8.5%，較圓形孔-延伸沖擊結(jié)構(gòu)的提升幅度也可達(dá)3.5%～7.2%。

（3） 在沖擊距離H/Di=1～3時(shí)，減小沖擊距離或者采用延伸沖擊等內(nèi)部冷卻改進(jìn)措施不會(huì)對(duì)復(fù)合冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生明顯的額外壓力損失。采用扇形氣膜孔外部改進(jìn)方案的氣動(dòng)性能有明顯的提升，其中流量系數(shù)的提升幅度達(dá)30%以上。

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（編輯"趙煒"李慧敏）