等离子体气动激励改善气膜冷却流动特性的大涡模拟研究

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1、博士学位论文等离子体气动激励改善气膜冷却流动特性的大涡模拟研究LARGEEDDYSIMULATIONOFPLASMAAERODYNAMICACTUATIONFORIMPROVINGTHEFLOWCHARACTERISTICSOFFILMCOOLING李国占哈尔滨工业大学2018年3月国内图书分类号：TK471学校代码：10213国际图书分类号：621.438密级：公开工学博士学位论文等离子体气动激励改善气膜冷却流动特性的大涡模拟研究博士研究生：李国占导师：陈浮教授申请学位：工学博士学科：动力机械及工程所在单位：能源科学与工程学院答辩日期：2018年3月授予学位单位：哈尔滨工

2、业大学ClassifiedIndex:TK471U.D.C:621.438DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringLARGEEDDYSIMULATIONOFPLASMAAERODYNAMICACTUATIONFORIMPROVINGTHEFLOWCHARACTERISTICSOFFILMCOOLINGCandidate：LiGuozhanSupervisor：Prof.ChenFuAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：PowerMachineandEng

3、ineeringSchoolofEnergyScienceandAffiliation：EngineeringDateofDefence：March,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要气膜冷却是现代高性能燃气涡轮热端部件的重要冷却方式，随着航空发动机性能要求的不断提高，未来涡轮前燃气温度将达到2300K以上，传统气膜冷却技术已不能满足未来热端部件的冷却需求，亟需探索新型、高效的气膜冷却技术。对于气膜冷却而言，如何减小气膜冷却射流穿入高温燃气的深度以及增强冷却流体沿流向和展向的覆盖

4、能力是提高冷却效率的关键科学问题。作为一种新型主动流动控制技术，介质阻挡放电（Dielectricbarrierdischarge，简称DBD）等离子体流动控制技术近年来呈现出蓬勃发展的新态势，为进一步提高气膜冷却效率提供了新概念和新思路。本文结合DBD等离子体激励器的放电特性和实验数据，建立了DBD等离子体气动激励唯象学模型并验证了其准确性，首先采用大涡模拟方法开展了条形电极等离子体激励器气动激励下平板圆孔气膜冷却流动特性的基础研究，归纳了不同几何参数和气动参数条件下等离子体气动激励对冷却射流出口速度分布、射流轨迹以及下游湍流场的影响规律，展示了等离子体气动激励前后气膜冷

5、却流场的流动图画，揭示了条形电极激励器气动激励提高气膜冷却效率的物理机制，并以此为基础进一步研究了条形电极激励器沿展向布置时对气膜冷却特性的影响。研究结果表明，条形电极激励器沿流向布置时产生的下拉诱导和流向动量注入效应占主导，在此作用下冷却流体更加贴近壁面且加速向下游流动，气膜冷却流场内相干结构的尺度减小并提早破裂成小尺度湍流结构，抑制了冷却射流远离壁面的趋势。条形电极激励器沿展向布置时产生的展向动量注入效应则占主导，提高了冷却流体的展向扩张能力且诱导产生与肾形涡对旋转方向相反的流向涡对，从而拓宽了冷却气膜的展向覆盖范围。在上述研究基础上，提出了兼具流向和展向诱导能力的锯齿

6、电极等离子体激励器，首先研究了锯齿电极激励器沿展向不同敷设位置对平板圆孔气膜冷却流动特性的影响，发现锯齿电极齿尖位于气膜孔中心线上时诱导的流向涡对与肾形涡对的旋转方向相反，而且其产生的展向扩散效应促使冷却流体向两侧扩张流动，使得冷却气膜沿流动方向呈发散状，而锯齿电极齿根位于气膜孔中心线上时则产生与肾形涡对方向相同的流向涡对，并诱导高温主流侵入冷却射流两侧区域，导致冷却气膜沿流动方向呈聚敛状。其次，系统研究了锯齿电极激励器对平板圆形孔和扇形孔气膜冷却流动和气动损失的影响，探索了锯齿电极激励器气动激励前后气膜冷却流场内湍流相干运动和发展的特点及其空间相关和谱分析，运用损失分离方

7、法和熵产分析法研究了锯齿电极激励器气动激励对-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文气膜冷却气动损失的影响，揭示了锯齿电极激励器气动激励、冷却射流和高温主流间相互作用的独特物理特征。研究结果表明，锯齿电极激励器与扇形孔相结合能够显著提高气膜冷却效率，气膜冷却流场内相干结构的尺度明显减小并提前破裂成小尺度的近壁条带结构，而且二阶脉动速度空间相关函数和波谱函数从物理空间和波数空间上也证实了锯齿电极激励器气动激励后气膜冷却流场内相干结构的尺度减小、组织性增强，同时其诱导产生的流向涡对也增强了冷却流体在展向上的湍流输运能力。锯