（工程热物理专业论文）带肋及气膜孔的矩形通道流阻和换热研究.pdf

擒要气膜冷却和强迫对流换热是目前航空发动机涡轮叶片上采用的主要冷却方式。气动参数窝足霉参数砖遥遂壁鞭麴挨热特牲郡窍影穗。梵了受麴臻确了瓣内冷通道的流动和换热特性，本文采用实验和数值模拟相结合的方法对其进行了系统豹磅究。对带肋和气膜孔通道的气膜孔流量系数、通道压力分布和带气膜孔壁面换热系数进行7 实验测爨。换热系数黪测量采燧了瞬态滚曩技术。在磅究流量系数亵压力分布的实验中，入口雷诺数数的变化范围是6 0 0 0 0 1 5 0 0 0 0 ， b 流比的变化范喇是0 0 4 0 2 2 。在研究按热系数鲍实验申，入口霉谨数的交纯藏围是3 0 0 0 0 9 0 0 0 0 ，出流比的变化范围是0 0 9 0 2 2 。肋角度有6 0 度，9 0 度和1 2 0 度，肋和气膜孔的棚对位置囊肋在气膜孑l 上游，肋在气膜孑l 下游和肋在气膜建中闻。磷究了张雷诺数，通道入口雷诺数，出_ i j i c 比，肋角度和气膜孔位置对流摄系数的影晌以及通道入口雷诺数，出流比，肋角度和气膜孔位爨对压力分寿和换热系数的影响。实验结果表明，孔雷诺数是影响流量系数的主要因素，随着肋角度的增加，流避系数增加，气膜孔位爨对流量系数也鸯一定的影响；随羞通道入口雷落数和出流比的增加，压力系数增加；肋角度和气膜孔为主对平均换热系数有一定的影响，对换热系数分布的影响非常明娃。利用f l u e n t 6 1 对实验工况进彳予了数值模拟研究，计算结聚和实验数据总体上是一致的。研究了不带气膜孔髓面的换热系数分布以及旋转效应对流掇系数瓣影晌。计算结果寝明，遴道西个疆面韵羧熟系数差剐较大，在布鼹有辩肋的通道中，换热系数的最大值并不是带肋的粗糙壁面，而是其中的一个光滑壁灏：在布鬻有壹耢的通道中，上下壁面静挨燕系数分布基本一致，左右璧话的换熟系数分布基本一致；旋转对气膜孔流量系数的影响很大，通道顺时针旋转，流墩系数增熬，逶邋逆露锌旋转，流量系数减小。关键词：内冷通道流量系数，压力系数，换热系数，实验，数值模拟窒些垂些苎耋塑圭茎堡垒耋6 塑! 坠! !a b s t r a c tf i l mc o o l i n ga n df o r c ec o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e ra r ew i d e l yu s e df o rt h et u r b i n eb l a d e i n f l u e n c eo f f l o wa n dg e o m e t r yo nt h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t so ft h es u r f a c e sn e e dt ob es t u d i e dc a r e f u l l y 1 1 l ed e t a i l e dk n o w l e d g eo ft h eh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n ta n df l o wi sr e q u i r e dt oo p t i m i z ec o o l i n gd e s i g n t h i st h e s i sd e s c r i b e st h ee x p e r i m e n t a la n dn u m e r i c a lr e s e a r c h e so ft h eh e a tt r a n s f e ra n df l o w d i s c h a r g ec o e f f i c i e n t sa n dp r e s s u r ed i s t r i b u t i o na r em e a s u r e da tt h ec a s eo fr e y n o l d sn u m b e rf r o m6 0 0 0 0t o1 5 0 0 0 0 t a k e - o f fr a t i o so f0 0 4t oo 2 2 h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t sa l em e a s u r e db ya p p l y i n gt r a n s i e n tl i q u i dc r y s t a lt e c h n i q u ew i t ht h ev a r y i n gr e y n o l d sn u m b e rf r o m3 0 0 0 0t o9 0 0 0 0 s u c t i o nr a t i o s0 0 9 o 2 2 r i bt u r b u l a t o ra n g l e sv a r yf r o m6 0 。t o1 2 0 。r i bt u r b u l a t o r sa r el o c a t e do nt h eu p s t r e a m d o w n s t r e a ma n dm i d d l eo ft h ef i l mc o o l i n gh o l e s 1 1 1 er e s u l t ss h o wt h a td i s c h a r g ec o e f f i c i e n t sa r cm a i n l yc o n t r o l l e db yh o l er e y n o l d sn u m b e r p r e s s u r ec o e f f i c i e n t si n c r e a s ew i t hi n c r e a s i n gr e y n o l d sa n dt a k e o f fr a t i o s g e o m e t r i e sh a v el i t t l ei m p a c to nt h ea v e r a g eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t sb u tl a r g ei n f l u e n c e so nt h el o c a lh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t s n u m e r i c a li n v e s t i g a t i o ni sc o n d u c t e dw i t ht h es a m ec a s eo ft h ee x p e r i m e n ta n dt h er e s u l t sa g r e ew e l lw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t so fn of i l mh o l e ss u r f a c e sa n dt h ei n f l u e n c e so fr o t a t i o no nt h ed i s c h a r g ec o e f f i c i e n t sa r ci n v e s t i g a t e d t h en u m e r i c a lr e s u l t ss h o wt h a tt h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t so ft h ef o u rs u r f a c e si nt h ei n t e r n a lp a s s a g ea r ev e r yd i f f e r e n ta n dt h em a xh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to c c u i sa tt h eo n eo ft h es m o o t hs u r f a c i ：r o t a t i o n sh a v el a r g ei n f l u e n c eo nt h ed i s c h a r g ec o e f f i c i e n t so ft h ef i l mc o o l i n gh o l e s k e yw o r d ：i n t e r n a lc o o l i n gp a s s a g e ，d i s c h a r g ec o e f f i c i e n t s ，p r e s s u r ec o e f f i c i e n t ，h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t ，e x p e r i m e n t ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n1 1c d流量系数圪通道入口速度运动黏性系数s r出流比他气膜孔理论流量卑总压a气膜孔截面积c p ，甜总压系数f时间a导热系数，动量比n u 努赛尔数主要符号说明船通道入口雷诺数d通道水力直径旋转角速度m ，气膜孔实际流量p密度只静压静压系数t 。壁面温度h换热系数c比热容r e 。f e 孔雷诺数1 1 研究背景及意义第一章绪论为了提高发动机的推重比，涡轮入口温度露越来越高，推重比为1 0 的航空发动机涡轮入口温度已接近2 0 k ，如此高的温度必然会导致燃烧室、涡轮和尾喷管等热端部件工作的可靠性差、使用寿命短的弊端。据美国n a s a l a n g l e y 研究中心统计，航空发动机的故障有6 0 出现在高温部件，并有不断上升趋势；我国一些发动机高温部件韵寿命则仅有几百小时。造成该现象的主要原因除受材料和工艺水平约束以外，如何对高温部件进行有效冷却仍是尚未解决的难题。解决这个矛盾主要有两种途径，一是研究耐温高、密度小、强度大的替代材料，同时采用热障涂层来提高耐热性能，另一方面就是采用先进的冷却技术对叶片进行有效的冷却。包括研究新型冷却方式和提高现有冷却技术的冷却潜力。就目前的航空业发展而言，涡轮前入口温度以每年2 0 的速度增加，而材料的耐温程度以每年8 c 的速度增加，其余的1 2 c 主要靠冷却技术来满足要求。在过去的二十五年里，涡轮前入口温度提高了近3 0 0 k ，其中1 5 0 k 的温升得益于冷却技术的发展。所以说，冷却技术的研究对航空发动机技术的发展显得至关重要。美国的高性能涡轮发动机技术综合计划( i n t e g r a t e dh i g h p e r f o r m a n c et u r b i n ee n g i n et e c h n o l o g y , i h p t e t ) 和欧洲的先进军用发动机技术计划( a d v a n c e dm i l i t a r ye n g i n et e c h n o l o g y , a m e t ) j 中，都将推重比的发展目标定为1 5 2 0 ，届时涡轮进口温度会达到2 2 0 0 k 以上。在i h p t e t 计划中明确提出“如何在减少冷气流量的情况下提高燃气进口温度”这一技术难题。对热端部件进行冷却的目的主要是：( 1 ) 保证热部件在高于材料熔点的条件下正常工作。( 2 ) 降低冷气的用量，以提高发动机的性能。( 3 ) 减小热端部件的温差，以减小熟部件的内部热应力，获得增大的机械强度。( 4 ) 研制适合工艺加工的冷却结构。对发动机性能的研究，希望获得更高的燃气温度，以提高热效率，同时又希望热部件的温度较低，以获得较好的机械强度提高部件的使用寿命。由于热端部件内部的温差直接和热应力相联系，温差过大，必然导致热应力的增加，进而降低热部件材料的疲劳极限，也就很难满足发动机的寿命要求。所以研究不同的时片凌都结擒对冷却效采懿影响，簿浜轮时片结椽瓣设嚣譬攀重要。1 2 冷却方式综述强i i 婶疗内都冷气流动结鞫图l ，2 全气簇魏冷却涡轮工作时辟目前采用的冷却方式主骤有：气膜冷却、壁冷结构冷却、扰流肋壁面强化对流羧燕、撬流拄强 耘跨滚换热、冲鸯冷却、蒺投冷帮玖及笈散冷翥】等。魏滚拄和扰流肋壁面强化对流换热主要用于叶片的内部冷气通道，通过冷气猩通道内流动嚣壹逡行对滚羧豢l 将熬藿带走。气貘冷帮是冷气疑醚。片的禳鄂萄l 者顶啻滚入跨片内部的冷却通道，之厝从气膜孔喷出覆盖在叶片的表丽，将叶片表面和高温燃气隔开。渖壶冷帮是靠瀛镩静辩正流动强纯对滚挨煞将热鬃带走。壁冷缡穆楚爨冲击冷却和气膜冷却于一体，冷气先对内部壁面进行冲蠢，再从气膜孔喷出起到气膜冷帮麓终嗣。层馥冷帮楚一释蓊鍪瓣冷去| 】授零，它将；孛击冷秘、抗滚茳强绽对滚换热和气膜冷却结含起来，媳有相当大的发展前景，但是又受到制造工艺的限制。2发散冷却的冷却效率比其它冷却方式的冷却效率都高，但是目前还没有应用到航空燃气轮机上去。主要原因是发散冷却容易堵塞、氧化，使用寿命有限，机械强度不够，制造工艺上也有很大的困难，同时发散冷却的压力损失也较大。采用先进的冷却技术不仅是要发展象层板这样冷却效果好的冷却方式，同时也要挖掘现有冷却方式的潜力，对现有冷却方式进行更加细致的研究。1 3 气膜孔流量系数的研究现状在进行气膜冷却时，气膜孔出流量不足，就不能对叶片进行有效的冷却。出流量过大，又会降低涡轮的性能。流量系数的定义是气膜孔的实际出流量和理论出流量的比值，其值在一定程度上反映了流体在流过气膜孔时产生的损失大小。所以研究气膜孔的流量系数，就可以对气膜孔的出流量作出准确的判断，以便在结构上进行优化设计。影响气膜孔流量系数的参数很多，其中包括吹风比、射流与主流的密度比、主流紊流度、喷孔的喷射角度、孔两侧压比、内外流马赫数等气动参数和气膜孔长径比、气膜孔形状以及冷气通道内部所布置肋的角度等几何参数都会影响气膜孔的流量系数。在气动参数对流量系数的影响方面，国内外都做了较多的工p 。”，g r i t s c h和b u n k e r 都针对不同孔型研究了内部横流作用对气膜孔流量系数的影响，结果标明，流量系数随着内流马赫数的增加而减小，随着孔两侧压比的增加而增大。在b u n k e r 的研究中还发现，气膜孔倾角的改变对孔入口流动损失的影响比孔出口流动损失的影响要大些。w a l t e r 等人利用数值模拟的方法详细的分析了圆柱型气膜孔内的流动机理以及气膜孔出口的压力分布【”。r o w b u r y 等人总结出了外部横流作用对气膜孔流量系数的影响1 9 1 。d i t t m a n n 研究了旋转盘腔上预旋喷嘴的流量系数川。向安定等人在叶片上研究了吹风比和气膜孔排在叶片的不同位置处的流量系数差别 1 0 - i 3 1 。结果表明，在相同的主流雷诺数下，随着吹风比的增加，流景系数增大；在相同的吹风比下，主流雷诺数对气膜孔流量系数的影响不大；在相同的吹风比和主流雷诺数下，气膜孔排在叶片的不同位置对气膜孔流量系数的影响较大。朱惠人等人研究了气膜孔形状对流量系数的影响“，获得的结论是圆锥型孔的流量系数最大，簸箕型孔的流量系数次之，圆柱型孔的流量系数最小。裘云和倪萌研究了内冷通道肋的安装角度对气膜孔流量系数的影响。1 ，并且通过数值模拟获得了肋的安装角度对气膜孔流量系数影响的机理”1 。研究结果表明，不弱戆魏安装是叛改变气貘魏入掰豹漉凌方囊，觚瑟改变气貘我豹流鳖系数。1 4 内冷通逆流阻的研究现状内流通道流阻特性研究，早期的研究工作主要怒研究了光滑的圆管和矩形通道内豹流动”，并且得到了大量的理论。而对于带肋通道的流阻特饿研究，主要是n 等人在这方黼做的工作“”。1 ，他主要是研究了肋间距与肋赢比，肋间距与通道水力直径比对避道流阻特性的影响，并鼠总结出了带肋通道摩黻系数的计算公式。裘云档人在此基础上研究了同时带肋和气膜孔出流通道的流阻特性胁“，并氨稠用一维流动算法对h a n 掰提国酌摩陋公式进行了修藏。1 。5 悫冷逶遽换热鹣蟹 究瑗炊毽翦嚣内燕对癌冷遵遂抉热穗靛豹臻究大多数是锤对燕瑟豢糖糙齄或建繁气膜孑l 出流通道单独展开的。h a n 等人研究了带直肋的矩形激道的流动和换热特性1 。j a n gy o n gj u n 利用数筵模拟瓣方法硬究了旋转对带毒5 发魏暹递溅动积换热特性的影响o ”。研究结果表明，周期肋的存在导致周期饿的换热特性。t t w a n g等人研究了辫半￥燮腿的旋转通道换热特性啪】。磅究结果表瞑，旋转效应对内冷通道的换热特性影响很大，换热增强可以达到两倍。b y e r l e y 等人研究了光滑通道农气膜孔入口附i 瑗的换热特性o “，陶智等利用数镶模拟的方法研究了气膜砘出流对通道内不同壁砸换热的影响，他们的研究结果都表明，气膜孔悯距的减小使换热系数显麓的增加，气膜孔的出流使其对边的换热系数减小。裘云等利用实验研究了出流张对内冷通道换热特性的影响洲，研究结果表明，在相同的通道入口雷诺数下，气膜孑l 出流比的增加使孔附近的疑热增强，两在相同的气膜孔出流比下，通道入酗雷诺数对换热增强的幅度不大。陶智等人利用数值模拟的方法研究了气膜孔出流对叶片内流通道换热特性的影响，鬟点分析了气膜飘间距对换热特梭的影响，计算络果表明，气膜于0 间距沈的增加会使气璇礼边的换熟系数霾著增加，气膜张出流使气膜孔丽换热系数增加，但会使气膜孔对面换热系数减小。邓塞武等入研究了旋转究淆u 登遁邀内酌流动和换热特性，研究结祭表硝，旋转使通道的侧丽换热系数显著增加。1 巷瓣态滚熬溺譬控寒鹣筑焘帮发装现状竣建鹣瓣态实验中测爨澄凄圭器使熏热毫鼹，燕毫禚懿差要臻熹喜嚷液频率商，输出易于转化为数字储号。但由于热电偶为接触测温，每个热电偶仅能测量一令溺爨蠡豹信号，在襄簧进嚣大爨数据熹测量孵， 堇往需妥毒墨大耋戆热瞧偶，溅蕨极为不便。在测试件结构比较复杂或辑流场比较复杂时，接触测温对流场工援影骥较大，在涮试表嚣霭藿大量热鬯羁绽往不太霹戆，这毖然隈铤热龟鼹豹应用。为适成复杂结构复杂流场的测试，近年来发展了非接触测温方法如薄膜测温彝滚晶溅滋技术。遨嚣秘溅滠技拳誉影响滚场分布嫠虽霹以测褥溅试段整令表露的濑度分布，从而获得全表面的挟热系数分布，因而近年来得到快速发展。瞬态实验中黢霹以使阕热电偶测量瀑发，也可默使用龛属薄膜溅涯和热成像仪测蟹温度，当然也可以使用液晶测量温度，只要测量温度的时间滞后缀短，对应时刘的激度测量猿确裁弦。液热溯量温度不仅霹以用在稳态测爨中墩可以应用到瞬态溺鬣中，在豳外由于瞬态实验技术的发展较快，液藩溅量技术比较成熟，渡弱已经用于瞬淼实验之申：丙是魏在番内，由予瞬态实验技术鲍发展远滚后于稳态实验技术的发展，液晶的大多数应用仍然限予稳态实验之中。并且将宽带液晶缄者将多种窄带波晶结念在一越应用予麟态实验中时，可以测量到同一位鬟点娥不同时刻对应的不嗣温度，从而阿以在一次实验中获得多组实验数据便于扶一次实验中获取多个参数。在国静，将热色液晶擞色测漆技术麓予实验研究已有将近翻十年静掰史。单程1 9 6 8 年，美国n a s a a m e sr e s e a r c hc e n t e r 的e j k l e i n 酋次将液晶的热色效应应用猁风漏实验中来观察边器屡层流淘素流豹过渡“3 ，绝傻鬻靛是j 徽粒狡囊液晶混食物，由于受表顾污染、紫外线及机械剪切应力的作用，未能得别定量匏实验鳍莱。1 9 7 0 年，美麓a i rf o r c eh i g h td y n a m i c sl a b 鼢e ，d m c e l d e r r y 首次使用微粒胶囊液磊混合物来测定平板的边界层艨流向紊流的过渡l 矧，其结果比k l e i n 有掰改善；这静液蕊混合耱较之嚣微粒黢囊液藩潞螽貔牲瑷菱黧稳定，是液晶的颜包响应单一地由温度决定，而去除了外界机械剪切力、汾染等因索的于魏；微粒羧囊液晶静密瑷，傻燕惑液晶矛秀戆广。泛鹣痤璃予溅溢蜜验疆究。1 9 7 4年，美国的t e c o o p e r 给出了第一个利用液晶进行定量测温的结果p ”，他观测了横蠢滤审溷柱傣表瑟边赛震爱滚滚离紊流过渡弱位置戳及努塞尔数载变纯，宅的研究使液晶测溆技术由定性向定量迈出了一大步。其后，液晶测温技术在许多强家逐逮发展莛寒，嚣装这顼 蠹嚣熬主要波葵鑫装等国，其中英嚣豹一些大学帮磷究掰慰滚蔟测澄投寒遂嚣了较必谬尽戆臻究，成莱最爻突斑。置vj o n e s 进行了基础理论和涡轮叶片传热研究，h b a b i n s k y 进行了高速短对风洞测温研究，& 。薯r o b o r t s 站渡熬溅渥技零懿进嶷在1 9 9 4 年进行了憨缝，势绘毽7 定爨溅温所能达到的精度为1 0 。1 9 9 1 年，c e n g i zc a m c i 、k u i s o o nk i m 和s 。a h i p p e n s t e e l e 完整戆阐述了色彩静r g b 秘h s v 模型f 3 4 l ，焦度( h u e ) 与波曩显色温度的标定方法，测试了光源到测试模挺之间的距离、光照角度对色度温度标宠戆影昀，分辑了雹疫与建强、色发与键移度豹关系，最终劳使髑实验进褥验证。在1 9 9 3 年，j o nw o l f e r s d o f f 、r h o e c k e r 和t s a t t e l m a y e r 在测试模型表露擞热弱瓣态实验使用滚燕送行滋度场积换热系数测量珏啦，实验考采用了秘无需标定液黼的瞬态测量方法，并鼠采用理论公式避行实验结果的比较，换热系数测试的最终实验误菠在5 以内。2 0 0 0 年，p t i r e l a n d 和t vj o n e s 对2 0 0 0 每以前液晶在测量温发和剪切力方面的应用进行了一个系统的总结嗣，几乎提到了自1 9 9 1 年以来的所窍应用波晶测量溆度场秘挨热系数的实骏。在国内，自8 0 年代初翻内许多高校和研究所都开展了热色液晶在各个领域的廒用研究。其中0 2 9 基地腰于风濑的实验研究，国防科技大学用于无损探伤以及其他民用方面的研究，南柬航天航空大学越宗辅教授进行了液晶薄膜的研究并应用于风洞实验。1 9 9 2 年，中国科技大学：i 聩代力学系的涯柳生、何时平、伍小平在介绍一襄瞬态和稳态均通用的蒸予液晶测温和强像处理技术的二维传热自动分析软件时简单的提及过一套瞬态传热系统和一套稳态传热系统。1 9 9 5 年，中灏科学援沭大学的张蠛、周鹏、簿毽平、释先煊在测量射流、舜击虢西温度分布时使用了液熙o ”，假使用的是稳态的测量方法。1 9 9 6 年，是宇善在等熵压缩管轻潘塞斑贰瀹中进幸予温度砺溯量时获取了稀态韵溢浚场分稚 弼，褪德氇只是获取了麟时的温度场分稚，并没有提及可以进行换热系数计算的瞬态实验系统。2 0 0 0年，中国科学技术大学静张懑、鼗文圈、张嘉锋、秘毽平撬懑了剽弼敲荻囊滚晶粒予同时测嫩流体温度场和速度场的新技术【4 0 1 。2 0 0 2 年，北京工业大学的陈玉阳建立了一套完整豹燕色液箍溺量系统【翊，在管内撬入蘧转带，产裳竣二襞托碳为工质的旋转射流。然后采用液晶测温技术对旋转射流冲击冷却换热进行研究。该实验孛，蓠先建交了一套宠整静热色滚嚣定量瀵激系统，探过了撼裹滚燕溅涯精度的方法和途径。然后，刺用所建立的系绒对二氧化碳为工质的酱通射流进行了验 蒌实验。2 0 0 3 车，渣牮大学豹羚蘸、褥遂友、赣洋 t 较了缓爝滚晶秘熬藏像仪测量壁面温度的优缺点俐，得刘的结论是液晶测温的精度高、受环境影响较小，袋点怒受滚晶黢色湿凌麴隈裁钗戆褒低滠f 馕羯。i 7 本文的主要工作和创新点本文利用西北工业大学传热实验室的现有设备，对带肋和气膜孔出流的举行通道进行了系统的流动和换热实验研究。并且利用数值模拟进行了对比验证。具体工作如下：( 1 ) 系统的测量了内冷通道气膜孔流量系数。研究了通道入口雷诺数、出流比、孔雷诺数，气膜孔与通道动量比、气膜孔位置和肋角度对流量系数的影响。( 2 ) 系统地测量了内冷通道在有气膜孔出流条件下的压力分布特性。( 3 ) 利用瞬态液晶测量技术系统的测量了带肋和气膜孔出流条件下内冷通道的换热特性。研究了通道入口雷诺数、出流比、气膜孔位置和肋角度对换热系数的影响。( 4 ) 利用f l u e n t 6 1 对上述工况进行了详细数值模拟。研究了通道内部的流场结构和流体温度分布。( 5 ) 利用数值模拟的方法研究了通道各个壁面的换热特性。( 6 ) 在数值结果和实验数据对比基础上，研究了旋转对流量系数的影响。本文的创新点如下：( i ) 首次利用数值模拟的方法研究了旋转对带肋通道气膜孔流量系数的影响。( 2 ) 首次采用瞬态液晶技术研究了带肋和气膜孔出流通道换热特性。( 3 ) 首次利用数值模拟的方法研究了带肋和气膜孔出流通道内温度场分布。第二章研究方法实验是现代航空发动机研究采用的基本方法，它可以获褥准确的数据。就本文费电内容丽富，流黧系数和难力分帑在测量上具有一定的关联往，所以同时测量。换热系数的测量采用了先进瞬态液晶技术。数值模拟研究采月的是f l u e n t 6 1 商监软件。2 。1 爽验疆究方法2 1 。1 实验设鍪窝实验俸 ，菇搬2 撩定塞3 。撩匿耋4 。辆热臻5 实验黢6 。气骥我骞滚l 歉黧撞7 奔搴子流量计8 气骧予l 出流调节阀9 主流调节闷1 0 乳梗漉置计围2 。1 照溺蘸统圈本文实验设备利用的是西北工业大学传热实验室现有的试验风洞。如图2 i 新示，窀豹气源鸯离，豁羧筑静l 提供，经_ 遘稳藤室窝热热器送入实验转。秀得到较为平稳的气流，同时也为了保证加热器的清洁，在稳压箱的出口还安装了龛疆整怒霹翻过滤爨。攘热器安装在稳垂簇爨鞠窝试验段入1 2 1 中阗，酷减少8热损失。距试验段入口l o o m m 处开有直径为l o m m 的小孔，用来放臀水银温度计和熟电偶，温度计测量气流初始温度，热电偶测量气流被加热时上升的温差，屏蔽导线连接热电偶和采集板，保证了温度采集时不受外界干扰信号的影响。在摄像机的视野范围内布置了一个发光二极管，二极管由一个5 伏的电源供电，此电源打开时，二极管发光，二极管和热电偶与信号采集板相连，变压器自带的继电器也和信号采集板相连。当按下变压器的启动开关时，二极管灯灭，电脑的采集程序同时获得一个阶越信号，保证加热、摄像和采集的同步进行。实验段由通道和气膜孔出流收集腔两部分组成，采用有机玻璃制成，其上盖板可以拆卸，以便于实验中改变肋的结构和气膜孔的位置。下蕉面涂有黑漆和热色液晶。灯源安装在试验段的侧面。装有摄像机的三角架放在试验段的上盖板上。气膜孔收集腔设计有足够的容积，保证其中流速较低，压力分布均匀。实验段主流通道的出口与阀门、孔板流量计连接，气膜孔出流收集腔后也连接有阀门和两个不同量程的玻璃转子流量计，以便在不同的出流量下采用不同量程的流量计进行测量。此风洞系统试验段有很好的气密性，保证了流量的准确测量。图2 2 为实验段照片。图2 2 实验段照片由于本试验首次采用瞬态热色液晶测量技术，加热方法与热电偶测量时采用的加热方法有很大不同，所以有必要将加热器的设计做一下具体说明。勰热爨采用三矮电路麴热方式，由予趣热嚣的铁丝粼魄阻穰小，嚣戳供毫系统必须满足低电服，强呶流的条件。将3 8 0 伏的供电电压先接入三项自藕变压器，变压器救输出可以褒0 4 5 0 伏之间经意谖繁，逶避囊蘩变矮器获褥一令合适电压，之后接入二次变压器，二次变压器和加热器之间采用三角形遮接。加热器电阻采用较稠密的铁丝网，以保证气流褥剿均匀的搬热塞。实验段侧壁中心线上升有静压测孔，妁气膜孔和肋的相对位溉如图2 3 所忝。遴遵瓣绝对压力采弱承接溅爨，瑟携瓣莲宓激瘸毫灵敏度豹惩差交遴器溅量。气膜孔出流收集腔的熬面也开有静压测孔，其位暨游汗了气膜孔射流的冲毒，必整内滚动较警缓豹嚣蠛，戴耱压采瓣农接测譬。由予收集黢痰滚邃较诋，压力分布均匀，可以认为所测壁面静压代袭了气膜孔出口静压。翻2 ，3 道邋壁匿上的静压测点实验中所用到的测量仪器及精度：1 永撵压力计；蠢稷o 1 8 0 0 m m 求秘，精度l m m 承穰2 。b y g ( a d s ) ：c b 差压燮送器：测匿范围0 1 k p a ，精度0 。5 3 数字万用袭；精度0 5 4 。l z j 一8 墅玻璃转学流量c t # 耩凄2 5 缀5 l z j l o 型玻璃转予流量计：精度2 5 缀6 承键滠度计；量程o 1 0 0 ，精度0 1 。c实验段逶遭长嶷为1 9 2 5 m m ，横裁嚣赢宽比秀o 。4 ( 8 1 m i n x 2 0 2 5 m m ) 。逶道两个侧蹙光滑，上下壁面分别布鼹1 0 根矩形截颈的肋，它们互相平行，并且错摊毒置。肋闻距烫1 5 0 m m ，肋阍距与默宽比为l o ，肋糍与肋窝比为1 ，肋与主流的角度有三种：6 0 0 、9 0 0 、1 2 0 0 。在下壁面上，每两根肋之间布置有1 对气膜孔，总数为9 对，彳l 鲍位置有三秘：孔中心距翦肋3 7 + 5 r a m ( 前肋下游) 、1 0距前肋7 5 r a m ( 两肋正中心) 、距前肋1 1 2 5 m m ( 后肋上游) 。气膜孔的直径为9 r a m ，长径比为1 0 ：3 ，孔与主流的夹角( 导向角) 为9 0 0 ，孔与壁面的夹角( 倾角) 为3 5 0 ：图2 4 示意了肋与气膜孔的几何结构。每对孔的出口分别通向独立的出流收集腔。m m h o kp寸寸寸图厶4 肋和气膜孔的相对位置2 1 2 参数定义和数据处理方法雷诺数r e i v 。d v 。，罗施贝数r o 一6 0 d v 。，其中圪为通道进口处的平均速度，。为空气的运动粘度，d 为通道的水力直径，珊为通道的旋转角速度。通道总出流比s r - ( 卅；) 小m 。其中卅；为通过第i 对气膜孔出流的质量流量，m m 为通道进口的质量流量。气膜孔流量系数定义为：c 一。老。z 历蓊m l 乒雨m 2a 2 0 2 p 2 tp t 一只)( 2 一1 )其中m j 为通过气膜孔的实际质量流量：分母为通过气膜孔的理想流量，其中p 。为气膜孔出口处的静压，p 。、p ：分别为气膜孔入口上游通道中的平均总压及气膜孔出口处的密度，a 为气膜孔的截面面积。实验对每一对气膜孑l 的出流量进行测量，得到的流量系数也就是两孑l 的平均值，式中的面积为两孔的总截蘧灏积t 诗簿懿单程流量系数对庭擎魏的蹬滚莹巍单魏豹截瑟瑟辍。本文分别采用静压系数和总滕系数来表示通道的压力分布特性，其中静蓬系数势：c p 。- ( p ，- p 。) “p 。曙2 )( 2 - 2 )式孛p 。秀遴酾鲢鹣参考静蘧，热为第i 辩气簇魏上游楚掰测静嚣，p 。蠼2 为通道进阴处的动雁头。总基系数为：c j - ( 鼽j 一鼽，。) 必p 。p 2 2 )( 2 - 3 )式中鼽，。为遥遴进口处的参考总压，p 。为第i 对气膜孔上游的总鹾。换热系数的定义为：h - q 舡。- t gj( 2 4 )其中譬为壁瑟热漉，t 。舞璧瑟滠度，t 。为主流瀑度。拇赛尔数的定义为：n u - h d ，五( 2 5 )测量抉热系数采用的是麟态液晶测量技术。所谓瞬态魑指当流体获得一个加燕辣狰蓿号之蠢，秉簿流俸耱遵遥熬蘑窝流体之阕会毒巍一个温煮，在霓漱差佟用下，壁面内部产生的导热现象。本试验需满足的瞬态测爨是壁面半无限犬，半无黻夫条锋蹩捂在熬霞懿瓣态导熬遵程孛，热流袄翱燕一镧送入露又没有鞠这勇一侧时测嚣就已经结束，换句话说，就是另一侧还没有受到加热的影响。测量时爨要获褥主流麓熬辩阉窝壁藤温度鹣关系。壁面温魔的获得采用热色液晶技术。热色液晶是一种以不同颜色反映不同温度瓣蠢糗锈矮，热纛滚燕曼蕊豹每一耱凝憨，辫辫瘫着一个礁定懑发。逶避标定可以获得“颜色一温度”关系。当童流获褥脉冲加热信号之后，壁阐由于和流体的鬟萋滚挟热滋疫选黟始舞裹，当达裂热色滚燕熬显怨湛度孵，滚爨羧会显像。透过先前标定好的“颜色一温度”对威关系，w 以获得此时的壁温再知道加热时阀秘流体懿加热瀑嶷，透过下嚣懿公式裁霹激诗算滋挨热系数。冲一也“) 1 - e x p 酱) e r f c 静) 】浯6 )其中t ，为壁面漱度( 热色液晶的显色温度) ，t 。为流体和壁面的初始温度，t 。为流体加热到的温度，h 为换热系数，f 为加热时间，p 为壁体的密度，c 为壁体的比热容，a 为壁体的导热系数。由于热惯性的存在，主流的加热很难获得突然一个阶越温升，所以采用上面公式必然会造成一定的误差，本文在具体的数据处理时并不是采用上面的公式进行计算，而是将加热时间划分成n 段，在每一段上认为流体的温度是不变的。处理后的公式如下：冲。+ 薯o # f - - t g j 。m p 芒等冲嗨喾刀c z 一，t 。为主流加热时第n 段时间的温度，其它变量和阶越公式的变量意义相同。根据s h u l t z 定义的满足半无限大条件的材料厚度【矧，对于一块初始温度均匀的厚2 6 的平板，当一个侧面的温度突然变化到另一恒定温度时，如果其半厚度d 之4 口f ( a 为热扩散率，) 则在f 时刻之前，该平板中的瞬时温度场的计算可以采用半无限大模型。根据有机玻璃的物性：aio 1 8 5 w ( m - 。c 1 ，c 一1 4 7 k j ( k g 。c ) ，p - 1 1 8 9 c m 3 ，则a a ( p c ) 一0 1 8 5 ( 1 1 8 x 1 0 3 1 4 7 1 0 3 ) - 1 0 5 7 x 1 0 - 7 1 ( m 2 s )( 2 - 8 )实验台测试段平板半厚度6 1 5 m m ，由6 土“再j f 墨( 要) 2 a 。( _ 1 5 x 1 0 - 3 ) 2 ( z 0 5 7 x 1 0 7 ) 。1 3 3 0 4 5( 2 9 )因此，当实验台的测试时间短于1 3 3 0 4 s 时，测试平板中的温度场可以采用半无限大的模型。具体试验时考虑到计算机数据处理的能力和一维半无限大模型的成立条件，加热时间超过4 0 s ，数据处理所耗费的时间会迅速增加，一维模型的误差也会增大；加热时间太短，热色液晶的显色速度过快，不利于获得壁面的温度信息。通过多次试验证明，时间控制在3 0 4 0 s 之间会获得较好的测量结果。热色液晶物性随着时间的推移会发生一定的变化，也就是说，在不同的时间段里，热色液晶的相同颜色对应不同的温度，所以本实验采用了两种热色液晶的校准方法。第一种方法是利用恒温水域，具体做法是，将热色液晶喷在金属薄容器内，容器放在恒温水域中，之后调节恒温水域的温度，恒温水域用测量精度0 1摄氏度的高精度水银温度计测量。当热色液晶显示出我们需要的颜色时，计下恒温水域的温度，用摄像机拍摄下热色液晶的颜色图片，转化为色度值，就可以找出热色液晶色度和温度的对应关系。第二种方法是在实验件上布置热电偶，控制来流加热量，保证在实验件表面显示我们需要的颜色，用热电偶测量壁面的温度，用摄像规艳摄壁莲热色滚鑫的显色圈片，辩转豫舞莰度僮，逛可数找出热色液晶色度值和温胰的对成关系。第一种方法校凇精度高，容易操作，第二种方法可以随时梭准，舆罄实时操作的特点。以带6 0 度肋通邀壁面的试验数据为例，详细地介绍从拍摄图像别处理醴l 换热系数云霉过程。拍摄图像时，失了僚涯拍摄的图像缝够寞实蟪反映液晶豹照色过程，实验室内除安裟在试验件上的灯源以外，其它灯全部关闭。由于每次实验的气流祝始滠发不网，加热繁必须有蹶差别，才能够保证从加热开始熬l 热色液晶显色结束的时闯间隔为3 0 4 0 s 。做究一个工况之后，必须间隔足够的时间，像证实验镎恢复到殿来的初始湿度，为了避免风枫连续运行过长融阿所造成的气源室盼温度升高导数来流溆度过高( 如果越过热色液晶的鬣色温发，实验将无法进行) ，在穗次实验间隔中，将关闭风枫。图2 5 主流加热温度曲线蓬2 5 为主流藏燕燕对豹温痰交往基线，圭滚被鸯霾热对滠度缀抉藏会上舞翔一个稳定值，之后将娥持这个值不变。在数椭处理时，初始段按照线性增加处理，这敬对阂在秒溢瘀，磊嚣攘爨滠度篷餐定遴嚣赴理。奉实验雳黪摄缘瓿摈攘凝率为每秒钟2 5 帧。热电偶的温度采集频率为每秒钟5 0 次。溪2 6 楚籀摄豹入蜀霍诺数6 0 0 0 0 ，塞滚魄0 2 2 耱筻5 0 0 梭时剔豹强冀。在处理数据时先将每一帧的图片转化为h s v 图片( 色度、亮度、饱和度) ，再根据色度弱滠凄戆对应关系将每一犊戆夔发毽转纯兔瀣度鏊。出于撩摄_ 遘簇存在一定夔予扰色，所以在具体数据处理时，需腰用到饱和度和亮度加以区分。换句话说，将色度转化为温度时，不仅要满足色度和温度的对应关系，同时也必须满足色度值和亮度值在一定的范围之内。图2 7 分别为拍摄的第5 0 0 帧图片对应的色度，饱和度利亮度。从图上可以看出，色度、亮度、饱和度的分布规律和图片颜色的分布规律非常的接近。这就能够将拍摄到的结果准确地反映到温度场中，进而保证换热系数值的准确性。图2 6 摄像机拍摄的原始图片a 色度图b 饱和度图c 亮度图图2 7 转化后的h s v 值图2 。i 。3 零确定发分攒。根据溅爨误差髅震斡不同1 4 7 删，将测豢误差分必耀大谖差、系统误差秘隧枧误差。粗大误差的测量值是坏值。熙不被采用的测缀结果。系统误箍是由于实验设备、测量仪表移实验环境逡成的。系统误熬在实验时可竣通过捩黢仪表采瀵除。随机误差是豳于测熬过程中大量彼此独立的微小因素对测嫩影响的综合结果造成的。在分析测量结果的不确定度时，主要讨论由随桃误差弓l 起的不确定度，即睫机不确定废。由予缀多参数都是通过问接测爨褥到的。通过测量与被测参数棚关灼其它璧，利用定的涵数关繇求得被测量。此时的不确定度虢会有盥接测量薰传递缭被测参数。如采间接测量繁y 和誊接溯璧爨x 1 , x ：，x 。之阐有如下的函数关系y _ - f ( x l ，x 2 ，x n )( 2 1 0 )刚虢机误差传递公式为：+ 秽一嗳蚶+ 嗳蚴2 j 唼奴翔；e 2 啦，流鼙系数瓣定支洚：乞。丝。1 竺每；一( 2 1 2 )。m 2a 2 2 p 2 ( 巧一只)其孛：m 2 - 7 2 * u 2 * a 2 妒j 鼍孚浯等一k 鲁) 2 + 陪) 2 + ( 警) 2 】ic 。喇，嚣剐南) 2 ( 彘) 2 防】j浯燃鲁- f ( 鲁) 2 + ( 鲁) 2 】2c 。小，垂鎏垂垩叁篓篓圭茎彗建耋差量耋鬟塞奎童壤掇误差健递公蕊骞蒯悯2 + 吲2 】即等- 【( 鲁) 2 + 陪孵拼_ q 丘r t褥瓣鹣，嚣魏痰豢流量熬零确宠浚为：钏务盼( 一酬憎在本测量系黼d 绒q v 以5 ，警观5 ，争o 3 3 因此堕。2 5 5 。m 2鲁i ( 南h 彘) 2 + d p 21 2 】2其中取最坏的情况估算；盟：2 0 a ，盟。2 o ，&堕。2 o ，只1 7堕。2 o l( 2 - 1 7 1( 2 一t 8 )( 2 1 9 )( 2 2 e )( 2 - 2 1 )( 2 - 2 2 )( 2 2 3 )，忏川堕是，q、_ l丝，q、心亟班一”珏n一-煎，汗川堕乏l堕乏hh蕾丝或及气一置一2 8 5 。5 ( p a ) ，东- 1 0 3 5 7 ( p a )垫3 。8 6 ，醒得出：堕墨5 3 6 。q静膳系数的定义式为：监。2 8 蕊p 2c ，一肇式氏2 )( 2 2 4 )由予在本文实验中，速度怒通过流量计舅恧得到，因此囊c 。一印( p 。圮2 ) 一印 p ( q ，一) 2 2 1予怒，黪嚣系鼗静不确定液受：争 降) 2 + 吲卜 3 2 + 4 x 2 5 2 1 1 22 矗瓣，蕊舔系数豹定义式为：c 。- ( a p + p v 2 2 ) ( p 。眨2 )根据式( 2 - - 7 ) ，辫取实验中印和p y 2 2 相等的情况，可以得剡：托口c f 一1 一d c p 1 2c ，j2 2 数值模拟研究方法1 d c 篇p 2 ，。致。2 业：! !p 。圪2 2- 2 9 2 + 3 5 4 2 严一4 5 8 ( 2 - 2 8 )随着计算机技术臼新月异的发展，数值模拟方法也有了飞速的进步。目魏，采用计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u ido y n a m ic s ，c f d ) 已缀能较)埘三沿浯准确地解决多种复杂区域内的复杂流动和传热问题，因而它在研究实际工程问题中愈来愈受到重视。在这样的情况下，针对流动和传热研究的计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，c f d ) 商业软件相继出现。自1 9 8 1 年英国的c h a m 公司推出求解流动和传热问题的商业软件p h o e n i c s 以来，有5 0 余种c f d 商业软件相继问世，其中包括a n a s y s 、c f x 、f l u e n t 、s t a r - c d 等。这些软件不仅集成了经过大量验证的成熟算法，而且也不断纳入一些新的研究成果。这样，商业软件一方面具备了相当的稳定性，另一方面也有很强的解决特殊问题的能力。另外，新算法纳入商业软件中后，可以经过更多的检验，这也将促使c f d 的研究成果迅速成熟。本文作者认为，在实验研究的基础上采用c f d 商业软件进行研究，不仅可以使研究人员摆脱大量的重复编码工作，将更多的精力投入到研究的物理现象本身，而且还可以保证研究结果有较高的准确性。在众多的c f d 商业软件中，f l u e n t 发展较为成熟，适用范围也较广。它包括了建模和网格生成软件g a m b i t 以及求解器f l u e n t 。其中g a m b i t 可以生成结构化和非结构化的网格，基于有限容积法的求解器f l u e n t 可以计算的问题主要包括：定常和非定常流动、可压缩和不可压缩流动、多相流等。f l u e n t 中的对流项的离散格式包括一阶迎风、二阶迎风，中心差分、o u i c k 格式等；湍流模型包含有标准k 一、r n gk 一模型、r e a l i z a b l ek e 模型、雷诺应力模型( r s m ) 以及大涡模拟( l e n s ) 等。在公开发表的文献中，已经有不少学者采用它得到了理想的研究结果。鉴于本实验室的软件条件和作者对它的熟悉程度，本文采用f l u e n t 作为数值模拟的研究工具。1 93 1 前言第三章流量系数的实验研究在气膜冷却技术的应用中，气膜孔的流量系数是个重要参数，设计者总希望用尽可能少的冷气来达到一定的冷却效果。在内冷通道中通常布置有起扰流作用的粗糙肋，肋角度对流量系数会有一定的影响。沿着通道方向，流动条件的变化也会引起流量系数的变化。所以研究内冷通道的几何参数和气动参数对气膜孔流量系数的影响可以更好地对涡轮叶片的冷却结构进行设计。3 2 气膜孔雷诺数对流量系数的影响在以往的气膜孔流量系数研究中，通常将孔两侧的压比尸。只和气膜孔与通道的动薰比i ( 内流效应) 或者气膜孔与叶栅通道的动量比，( 外流效应) 作为影响流量系数的主要因素展开研究。这是因为，大量的研究表明，气膜孔内的流动损失主要