平板气膜冷却的实验分析

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浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究主要符号表英文字母M尸PS丁矿UX、Y、Z而弛VW丁丁’ReDDH三IR口§KS希腊字母VI吹风比湍动能生产项流体所受压力控制方程的源项时间变量Is】控制体积流体速度[m／s】坐标变量直角坐标变量直角坐标下的速度分量[m／s]温度[K】有效温比，气膜冷却绝热效率雷诺数射流孔直径水力直径，有效直径特征长度湍流长度尺度湍流强度曲率半径气膜孔的入射倾角湍流湍动能[m2／s2】湍流耗散率[m2／s3】 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究∥p∞Qr西D上、下角标i。j。kC，，2WVⅡ动力粘度[Pa／s】流体密度[kg／m3]角速度旋转率张量雷诺应力通用变量运动粘度张量表达时均值脉动值；修正值射流主流，自由气流壁面 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究1．1本文的研究背景和意义第一章绪论燃气轮机作为现代社会生产、制造、航空、发电等领域中的重要动力机械，在国民生产和军事国防中占有重要地位。随着科学技术的发展，生产生活中对燃气轮机动力输出性能的要求越来越高。根据热力学的基本原理，提高燃气轮机热效率的一个重要技术途径就是提高燃气轮机转子进口来流气体温度和更大的压力比，如图1．1口1。。?堂≮≥芑＼静雷篁酶留图1．1燃气轮机进口温度与燃气轮机循环比功率输出关系但是随着进口温度的提高会造成燃气轮机的工作环境恶化，导致燃气轮机的重要工作部件，如涡轮叶片、燃烧室、尾部排气管等的可靠性降低、安全系数减小和使用寿命缩短。所以，近数十年来国内外为了满足不断提高的燃气轮机循环温度的需求，解决途径主要可概括两个：一个为研制新型的耐高温、密度小、具有足够机械强度的代替材料或在涡轮叶片等部件表面加陶瓷涂层等，另一个为采用高效的冷却技术用以保护燃气轮机的高温部件，如图1．2瞳3。 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究挂图1．2近年来燃气轮机进口温度变化图1．2中可以看出，目前燃气轮机采用的冷却方式基本为4种，分别为：对流冷却、冲击冷却、气膜冷却和发散冷却等。冷却技术的应用使得燃气轮机的工作温度已经从1950年未使用冷却技术的1200K提高到现在的2000K左右。气膜冷却技术是近些年燃气轮机冷却技术中研究较多的一种。本论文以气膜冷却中的平板冷却作为研究模型，以孔型、吹风比与射流孔排列位置等因素对绝热效率的影响为研究重点，通过实验研究和数值模拟加以验证的方式，依托红外热像仪等仪器来观察、记录实验现象和数据，揭示吹风比、射流角度、射流孔的布置方式等因素对绝热效率的影响规律。1．2气膜冷却技术概述“气膜冷却是从处于高温环境的表面上的一个或多个离散孔中引入二次气流(冷却工质或射流)，以保护射入区域和下游区域的表面”‘31如图1．3n1pl’iRj；，’j¨：Jlj譬,ld令‘t也：涡轮⋯’J；‘仆，是斯形J段薄膜仪∥t瑶图1．3气膜冷却示意图∞m08642C21l1)I＼瑙礴Ⅱ封牛蝌一 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究射流气体出孔后，由于主流气体的压迫和壁面的摩擦力作用使得冷却气体向下游弯曲，贴附在涡轮叶片表面附近，形成温度较低的薄膜保护层，对涡轮叶片进行保护。衡量气膜冷却特性的重要参数为气膜冷却绝热效率，其表达方式卜(1)77=再Taw-TooT。。指冷却壁面表面的温度T。指主流的温度T。指射流的温度绝热系数n的值表示了气膜冷却的效率。当绝热壁面的温度降到和冷却射流同一个温度时，绝热效率达到最大值。影响气膜冷却绝热效率的因素是多种多样的，具体可归纳为三大类：一类包括射流孔尺寸(D)、形状、长径比、射流角度(流向倾角Q，侧向倾角B)和多孔的布置方式(孔间距P／D，排间距S／D)等孔结构参数，一类包括吹风比(M：盟)、动量比，：垒錾∑、密度比(DR：立)和来流湍流度(垒业)P。甜。(pu‘)。P。ft。等流动参数，第三类为冷却壁面的结构参数包括冷却壁面粗糙度、冷却壁面曲率和导热系数等。1．3国内外气膜冷却技术的研究现状对气膜冷却的研究开始于二十世纪四十年代。在国外，刚开始气膜冷却的研究主要是为了防止飞机机翼的受冻，热气从机翼的二维槽缝中喷射出来达到保护效果。直到二十多年后，航空燃气轮机的出现，需要对燃气轮机中的涡轮叶片进行保护，才把这项技术移植到了燃气轮机中，并将射流气体由热气改成低温气体达到保护的作用。这种防护性的冷却保护技术，除了可以对涡轮叶片进行保护外，对燃气轮机的其他工作部件也可以进行保护，包括燃烧室、喷管等其他高温部件等，由于其应用是极其广泛，得到了国内外众多研究者的重视。国内对气膜冷却的研究要晚于国外，就目前的情况来说，国内对气膜冷却的研究仍然无法赶上国外的研究，如果我们想要在燃气轮机和航空发动机方面不受 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究国外的压制，必须在气膜冷却研究方面投入更多的人力和物力。国内外对气膜冷却的研究主要为实验研究和数值模拟两方面。在刚开始时，由于受到计算机硬件和软件的限制，研究的主要手段是实验研究为主，以研究人员自己编写程序进行数值计算为辅。但是随着科技的发展，大型计算机硬件和软件计算能力的空前进步，通过数值模拟对气膜冷却进行研究已经拥有和实验研究同等的地位。1．3．1国外气膜冷却研究的概述国外气膜冷却的研究始于Wieghardt瞄3对二维槽缝热气喷射的研究，其目的是为了防止飞机机翼免于高空的低温，此为气膜冷却刚开始的情形。等到多年后，当气膜冷却技术开始运用于燃气轮机的涡轮叶片的保护时，Goldstein∞3、Han口1等是最早从事气膜冷却研究的。他们从吹风比对绝热效率的影响着手，得出射流角度Q=30。时，绝热效率随着吹风比在O～2之间增大而增大，在吹风比M=O．5左右，绝热效率达到最大值，而后绝热效率再随着吹风比的增大而减小，直至保持基本不变。当Q=60。时，绝热效率会相对的小一些。他们还发现，从平板射流出口到X／D=IO处，绝热效率的变化随距离的变化很大。当吹风比和空间都比较大时，其变化更加明显。Pietzyk等陋1研究了单排射流角Q=35。，长径比和孔间距分别为L／D=3．5，P／D=3的实验情况。他们得出，由于多孔射流增大了湍流度从而增加了干扰，所以多孔射流的湍流长度尺寸要小于单孔的，由于混合而产生的耦合涡阻止了主流的高温气体侵入到低温保护膜中。Sinha等阳1研究了射流角度Ⅱ=35。孔间距和排间距分别为P／D=3，S／D=40的双排实验情况。结果表明，前排射流孔的存在增厚了两排射流孔之间的边界层厚度，正是由于这一边界层的存在减少了两排孔之见的主流的动量和剪切层的速度，而且也降低了第二排射流孔附近的湍流度。他们还发现，由于第二排射流孔来流动量的减少使得第二排射流转换量的减少，从而保证了后排射流孔比前排射流孔射流出孔后覆盖的范围更长、对主流的渗透也更厚。Cruse等n∞使用了红外观察法测量了涡轮叶片表面的温度，比较了圆形和椭圆形两种不同前缘模拟件的气膜冷却效率。他们指出：对于圆形和椭圆形两种前4 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究缘模拟件，在叶高方向两者的气膜冷却效率平均值很相似，这表明可以通过相互模拟来对叶片前缘圆形和椭圆形两种前缘模拟件进行实验研究。根据现有的文献中研究结果表明，现在进行气膜冷却研究的前缘模拟件大多采用圆形的前缘叶片，根据这个结论我们认为也可以采用前缘形状为椭圆形的模拟件来进行实验模拟研究，所以这个这个结论对后续的研究工作是相当重要的。Thole等n¨利用激光多普勒测速仪(LDV)测量了三种不同孔型出口处的速度。三种孔型分别为：圆形孔、扇形孔、扩散孔。三者的射流角度Q=30。。他们发现，相对于圆形孔，扇形孔在出口处主流和射流的剪切，也有更大的横向覆盖区域。另外他们还指出，因为冷却射流过多的发散和随后到来的主流与射流的相互作用，扩散孔的绝热效率要略低于扇形孔。Gritsch等n23研究了密度比DR=I．85时与Thole等相同孔型的绝热效率。他们把研究重点放在射流孔附近的区域，所以测量只限于从射流孔出口到X／D等于10的区域内。相对于圆形孔，在射流孔下游扇形孔的壁面绝热效率具有明显的提高，特别是在高吹风比时。以同样的方式，Yu等n31研究了具有10。向前扩散的圆形孔和10。横向扩散的圆形孔的气膜冷却绝热效率和传热系数。在这些研究的孔型中，射流角度Q=30。。他们得出，在这几组实验中扩散的扇形孔具有最高的绝热效率和最低的传热系数。Schmidt等n41观察具有复合角B=60。的平板气膜冷却，相对于简单圆形孔，射流孔出口分带有和不带有扩散角两种。在较大的动量比的情况下，两种具有复合角孔型的绝热效率明显要大于简单圆形孔。具有扩散角的复合角孔型比没有扩散角的在射流孔附近有较大的横向扩散量。Gao等n踟研究了具有45。复合角的涡轮叶片的绝热效果。他们得出的结论是无论在涡轮叶片的压力面还是吸力面，绝热效率都是随吹风比的增加而增加的，当吹风比从M=O．4增加到M=I．5时，并没有出现一个绝热效率的峰值。AlokDhungel、JamesHeidmann等n61研制了一个称为新型反涡孔的射流孔，他们在文献中总结出，因为反涡孔两侧的子孔的存在，减弱了肾型涡对的作用，同时也降低了主流在壁面附近的动量，从而使得冷却射流在孔下游的横向和纵向都有一个更好的覆盖。Dring等n71利用了做了涡轮叶片的压力面和吸力面是实验研究，获取了两面 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究的气流可视化资料和绝热效率数据。他们认为射流孔出口的尺寸对下游气膜冷却效率的分布具有一个重要的影响。此外，Takeishin踟等人也做了相关的工作，他们使用一种称为热一质比拟的手段测试了气膜冷却的效率，其结果与Dring等人的研究结果相似。在数值模拟方面，Azzi和Jubran等n鲫用标准k—e湍流模型和壁面函数法模拟了直径较小的圆孔平板气膜冷却和涡轮叶片气膜冷却。结果显示，使用非均质湍流模型、多块网格技术和扩大射流孔来流的计算域可以改进对气膜冷却效率的预测。Bell等∞钡9量了表面和空间的气膜冷却绝热效率平均数，以及不同孔下游的等能斯坦顿数比率。他们认为，带复合角的横向扩散孔和带复合角的向前扩散孔具有最好的冷却效率。1．3．2国内气膜冷却研究的概述李少华、宋东辉等乜¨采用数值模拟的方式研究了圆形孔、簸箕形孔和圆锥形孔在不同吹风比下的绝热效率，他们得到的结果是三种孔分别在M=O．28，M=O．5，M=4．3具有最佳的绝热效率。刘江涛、吴海玲等瞳21采用数值模拟研究了带复合角的圆形孔和扩散孔的绝热效率分布情况。他们总结为，复合角射流的横向动量较大，所以冷却其他的覆盖面积较宽；小吹风比时，冷却气膜分别较宽，但绝热效果有限。朱慧人、许都纯等乜31通过实验的方式研究了圆柱形孔、簸箕形孔和圆锥形孔在吹风比M=O．3～2．0的绝热效率曲线，结果表明：圆柱形孔最佳吹风比M=O．5、簸箕形孔最佳吹风比M=O．7、圆锥形孔的最佳吹风比M=I．0，并且当吹风比M>0．7时，带有扩张型出口的气膜孔的绝热效率和冷却区域均好于圆柱形孔。’邓明春，朱惠人等瞳43采用放大的叶栅模型，在大尺寸低速叶栅风洞中进行了实验。主要研究了在气体的流动参数比如吹风比、密度比和雷诺数对流量系数的影响规律。他们指出：射流与主流的动量比对气膜孔的流量系数具有较大的影响，特别是在动量比较小时对绝热效率的影响变得更加显著。作者还指出，在射流孔出口这一区域，主流和射流的流动特性对流量系数的影响可以作为后续工作的研究重点。 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究刘存良、朱慧人等心51通过数值计算研究了三个不同孔型(圆柱形、扇形孔和收缩一扩张形孔)的冷却状况。结果表明：圆柱形孔由于射流具有较大的法向动量生成强的耦合涡，所以绝热效率才低；扇形孔由于出口面积的增大减弱了射流的法向动量，产生了展向速度，对绝热效率的提高具有一定作用；收缩一扩散形孔减弱了射流的流向速度，使得射流的展向宽度和展向速度相对于扇形孔更大，导致射流的覆盖区域也随之增大，形成了与圆形孔及扇形孔射流相比作用相反的耦合涡，称为反向肾型涡，使气膜更好地贴附壁面，所以绝热效率是三者中最好的。此外，康顺等瞳印研究了射流孔附近的三维流动，可总结为：较大的吹风比对马蹄涡具有增强作用、迫使自身远离射流孔，也会导致肾型涡增强和远离壁面；肾型涡对的起源基本上可分为两个，一个是主流边界层在绕过射流时，有涡对运动在射流的两侧形成，另一个是有两个反向旋转的螺旋节点在射流孔出口下游边沿附近的，当他们缠绕在一起时也会形成肾型涡对。1．4本文研究的主要内容虽然计算机技术和计算流体力学在当今已经非常发达了，人们在工程运用和科学研究中数值模拟已经作为一个重要的手段，数值模拟的优势和特点也无比地明显，但是数值模拟依然需要实验研究为基础。所以本论文采用实验研究为手段，综合考虑上文概述的国内研究现状，我们对带复合角、反涡孔等孔型的研究多停留在数值模拟、实验研究不多的阶段，所以本文以圆形孔为对照，开展对带复合角圆形孔、反涡孔的平板气膜冷却绝热效率的实验研究是非常必要的。本课题以浙江省自然科学基金项目为背景，选取简单圆形孔、带复合角圆形孔、反涡孔孔型为研究对象，对比三者在不同射流角度、吹风比等因素下的绝热曲线、温度场和整体绝热效率分布，为指导工程设计、优化绝热效果和提高燃气轮机工作效率提供理论依据。本论文主要工作内容如下：(1)依托现有的低速回转风洞，对其进行改造，增加对主流的加热装置。确定射流孔型简单圆形孔、带复合角圆形孔和反涡孔三种孔型的结构参数，并制造出所需的实验平板。 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究(2)搭建实验所需的红外观测平台、射流系统以及相应的射流冷却系统，探索建立相关实验研究的方法和参数测量的手段，为后续具体开展气膜冷却实验的流场研究提供一个可靠的研究平台。(3)红外热像仪标定，风速、温度等的测定以及实验相关准备工作。(4)按单孔、单排、双排的顺序对不同孔型进行实验、按所需工况控制吹风比，记录具体风速、温度等实验数据。(5)对实验数据进行整理、分析、总结和数值模拟的验证 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究第二章气膜冷却实验装置的设计与实现本章主要介绍气膜冷却的实验装置，包括：实验系统的组成、各个部分的参数等。2．1气膜冷却系统的设计一套完整的气膜冷却系统包括：实验平板、射流系统、风洞、加热系统、红外观察系统和其他测试设备。图2．1为本文设计的实验系统的结构简图。红外热像仪2．1．1实验平板图2．1实验装置示意图实验平板为50cm×30cm，其中实验段为30cm×30cm的区域，由有机玻璃加工而成，如图2．2。实验段表面铣去2mm，然后黏附一个同等面积的传热性良好的2mm不锈钢薄片，为保证其在实验进行时通过红外热像仪拍摄得到一个最佳的实验效果，在不锈钢表面涂上黑漆以提高辐射率。平板的背侧与集气室粘合在一起，形成一个整体，集气室对射流气体可以有一个缓冲作用，可以降低冷却射流的湍流度。 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究图2．2实验平板射流系统由空气压缩机、储气罐、一个自制的冷循环系统和流量计组成，如图2．3。由于在进行多孔、大吹风比实验时，对空气压缩机的排气量和储气罐的压力具有较高的要求，所以本论文采用的空气压缩机排气量为20m3／h，额定压力为3MPa的。储气罐的容积是500L，最高工作压力3MPa的。自制的冷循环由前后相互连接的薄壁钢管组成，然后将其放置在一个盛满水的容器里，这就保证了在实验时射流温度稳定在24℃左右。在射流系统的前端还连接有一个稳压阀，这可以保证在实验进行过程中不至于因储气罐压力的降低而导致射流速度出现大的变化。在射流接入实验平板的集气室的前端，连接了涡量流量计，用以测量实验时冷却射流的速度。 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究压缩射流冷循环图2．3射流系统装置图实验所用风洞为浙江理工大学流体机械研究所的环形低速风洞，结构如图2．4。可控风速在3----25m／s之间，主要包括实验段、扩压端、方形消声器、风机段、圆形消声器、稳定段、收缩段等几个部分。序号l234．56789lD11．12l3l4第一扩方形消第一．第一过圆形消第二扩第二过第三．奄称赛验段风机段稳定段收缩段压段声嚣二揭角渡段声嚣正段渡段四拐角图2．4风洞平面图11 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究实验段风洞截面为60cm×60cm，长2米。由于风洞没有对洞内气流的加热设备，而实验要求射流和主流存在一定的温差，所以需要对风洞进行改造。在风洞前端安置一个加热系统，加热系统由定制的石英加热管构成，每个石英管加热功率为lkw，每排放置11个石英管，前后交叉放置3排。3排石英管都开启之后，在风速为10米／秒的风洞中能把空气加温到70℃左右。为了使空气经过石英管之后保持平顺、均匀，减小主流空气的湍流度，在加热系统的后面安置了一个由直径D--O．5mm的钢丝编织而成，网眼大小为5ram×5mm的滤网，如图2．5。加热系统2．1．2射流孔型图2．5实验段装置图红外热像仪热电偶√、、、L—‘●，J实验研究的孔型为简单圆形孔、带复合角的圆形孔和新型反涡孔两种。复合角指在简单圆形孔的基础上，射流孔绕射流平板法线旋转相应的角度。反涡孔是由NASA-GlennResearchCenter的JamesHeidmann研发的一种新型射流孔，在 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究射流的母孔两侧引出两个直径较小的子孔，其绝热效果要优于简单圆形孔。简单圆形孔的射流角0=35。、60。、90。。带复合角的射流孔Q=35。，13=15。，60。，90。。射流孔的内径D=lOmm，长径比L／D=4，孔间距P=3D=30mm，每排五个孔。双排的情况时，排间距S=6D=60mm，双排分为顺排排列和插排排列两种。反涡孔的母孔a=35。，两侧子孔的角度与平板水平面(x-y平面)夹角Q。=60。，与平板平面法线的夹角13，=20。。所有孔型如图：[=======：j[==二============二========j图2．6单排Q=35。图2．7单排Q=60。 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究图2．8单排a=90。图2．9单排B=15。复合角图2．10单排B=60。复合角14 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究图2．11单排B=90。复合角图2．13顺排a=35。 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究2．2温度的监测。[二二二j=二二E二二二二二二二1一图2．14反涡孔平板温度的监测由红外观察系统来完成，该系统由红外热像仪、氟化钙滤光片、三脚架、工控电脑等组成。红外热像仪采用由美国FLIR公司生产的FLIRA320红外热像仪，如图2．15。工作波段7．5—13um，测温范围：一20oc7-．120。C，温度分辨率为0．1℃，测量精度±2％。图2．15FLIRA320红外热像仪 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究此外，还有Data、logger数据采集仪(Agilent34970A)矛D热线风速仪(Testo425)加以配合使用，如图2．16。热线风速仪温度精度±O．5。C，分辨率O．1℃，风速精度iO．03m／s，分辨率0．01m／s。热电偶安置在射流的集气室里用来监测射流的温度，热线风速仪测试主流的速度和温度。图2．16Data’logger数据采集仪(Agilent34970A)与热线风速仪ffesto425)2．2．1红外热像仪的使用与校准现代物理学将通过电磁波进行能量传递的现象称为辐射。热辐射就是其中最常见的一种，它的产生是因为物体自身的热而向外界发出电磁波辐射。只要物体内的分子没有停止运动，即它的温度高于“绝对零度”一零下273．15℃，物体始终会不断地将自身的热能变为辐射能，向外界发出热辐射。由于人的肉眼是无法观察到红外线的，所以必须通过一种称为红外热像仪的观测设备来观察红外热线并测试温度。它的重要几个光学部件分别为红外探测器、光学成像物镜和光机扫描系统，这些部件将捕捉到的物体表面的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件上，然后通过一个光机扫描机构对被测物体表面的红外热像进行扫面，该扫描机构位于光学系统和红外探测器之间。扫描后的红外热像聚焦到一个类似CCD的光学成像仪上，由光学成像仪将红外辐射能转换成电信号，经放大器、转换器等信号设备处理成标准视频信号通过电视屏或检测器显示红外热像图。在工控电脑上，利用FLIR公司的FLIRR&DSOFTWARE进行温度校准后就可以通过软件观察实验现象并获取数据并保存。[ 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究2．2．2红外热像仪的校准依据热力学上著名的斯忒藩一玻尔兹曼定律2一(1)确定，辐射能力正比例与热力学温度的四次方，但是实际物体的辐射能力不同于黑体。所以在实际运用中，上式公式被修正为2一(2)E6=c。(而T)4E=以。(甜T42一(1)2一(2)式中e为实际物体的辐射力与同温度下黑体辐射力的比值，称为实际物体的发射率。实验过程中为了提高实验平板的辐射能力，给平板喷上黑漆，然后与红外热线仪结合使用，对红外热线仪进行校准，从而确定实验平板的发射率e。通过调节电机的转速来控制风洞主流的流速，确保流速稳定，然后打开加热石英管，调节加热功率。实验段通过热线风速仪来测量主流的温度，倘若在3min内热线风速仪所示的温度变化小于±1℃，则认为实验系统达到了稳定。实验前，设定测试的环境参数，依据FLIR提供的资料，先预设一个测试平板的发射率，进行红外热像仪的标定，通过前几次的测试后，设定发射率￡=0．99。待系统达到稳定后，对比热线风速仪测得的温度与红外热像仪对应的温度，40℃一70℃之间取不同的值进行比较，建立热线风速仪与红外热像仪所测得的温度之间的关系，如图2．17所示，横坐标为热线风速仪，纵坐标为红外热像仪测得的温度，通过线性拟合不同温度值所测到的两者的测量值，得到的函数其误差小于1％。 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究图2．17风速仪与红外热线仪关系图从图中对比每个点两种不同测量方法所测得的值可以看出，红外热像仪所测值略低于热线风速仪所测值。虽然实验平板表面进行了加工处理，但影响红外热像仪测温度的因素除了实验平板表面的辐射率之外，还有反射率、测量环境温度、测量距离、高温主流气体的辐射和大气衰减等因素，所以红外热像仪所测温度会低于热线风速仪所测温度。2．3速度的测定为了进行不同吹风比(M)的多个工控的实验，实验过程需要测定的速度包括风洞主流的风速与射流的流速。现行常用的测量风速的方法主要有两种：一种是热线风速仪(hotwireanemometry简称HFA)，另一种为皮托管。相比于激光多普勒流速计(LDV)和相位多普勒例子分析仪(PDPA)，热线风速仪和皮托管具有结构简单，操作方便，价格低廉等特点。2．3．1测量风速的原理热线风速仪是利用热对流方程2一(3)的解来测量流速的仪器，Ⅳ=A(口)+占(口)√i2一(3)其中H代表热耗散，A(a)和B(口)为一定条件下的常数，u为流速。按照热平衡 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究原理，热线被流动带走的热应该等于热线中产生的热。意思就是说，在不考虑热传导、热对流、热辐射耗散的情况下，热线风速仪的金属丝中由于加热电流产生的热量应该等于流动所耗散的热量。而热量的产生是由焦耳定律决定的，热耗散则取决于King公式，因此：，。2R。=民一To)0+B)石2一(4)其中R。=R0[1+口。民，-T。)]口。为环境温度Te时金属丝的电阻温度系数，R。为温度T。时金属丝的电阻。由此导出：“：[——生』型笠一]：2一(5)‘(R。一Ro)口+B)。上式中A，B，％，R。皆为常数，可见当R，L可以确定时，就=--1以获得所需要的流体速度u。皮托管则是根据伯努力方程式2一(6)来设计的。丁V,2+告慨=譬+告慨2娟，由于z。=z：，由等式右边测得y：=0时的静Np。，则可以得出所测的流体速度矿。=42(-Po．孑P1)：2．3．2风洞风速的标定2一(7)风洞速度的稳定性和风洞速度与电机转速的线性相关性对实验极其重要。稳定性好的风速可以确保实验在一个特定的吹风比下进行以及获得一个理想的实验结果；而风洞速度与电机转速的线性相关性可以保证实验进行的更加顺利，不至于频繁地测量风洞速度。如图2．18，表明本实验所采用的风洞性能良好。20 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究2016型苎12尊——842．3．3实验误差分析80120160200240280320360400440风机转速图2．t8转速与风速关系图在实验的测试过程中，因为实验测量方法的差异和实验检测设备存在一定程度上的不完善，实验环境的变化以及人们认知能力的局限性等因素的影响，实验过程中测量所得数据和实验最后所得到的结果与真实值之间差距是必然会存在的，其值在数字上的体现我们称之为误差。随着科学技术的发展检测技术、检测设备不断更新，人们认识水平也在不断地提高，虽然能够将误差在最大范围内减少，但始终不能获得完全与真实值一样的测量数据，误差始终存在。实践已经证明，在日常生活和科学研究中，误差是普遍和必然存在的，为了在科学研究和生产实践中尽可能地减少误差，获得最接近真实值的数值，需要对科学实验、生产生活时测量过程中一直存在的误差进行充分分析和讨论。在测量过程中导致误差产生的原因可以是多种多样的，因此为了提高测量结果的可靠性和准确性，必须对可能产生误差的各种原因进行分析。(1)温度的影响影响流体温度的因素有很多，例如流体的热传导、密度以及流体和热线的温差等，而流体温度的改变又会使热线风速仪的读数发生变化。在实际测量中，由于使用了热线风速仪和红外热像仪一起测量，再配合热电偶进行校准，即便温度相差50℃，其误差也不会超过0．1％。(2)污染的影响21 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究热线风速仪的测试探头在使用一段时间后会受到气体中灰尘的污染而引起测量误差；红外热像仪的氟化钙滤光镜也会受到空气中的灰尘积聚而影响其自身的透光率，进而导致红外热像仪所测的数据与真实值有差异。污染的影响包括两方面，一是对热线风速仪探头本身的影响，二是对流场内实际风速的影响。热线风速仪的探头对气流中悬浮着的尘埃以及油雾等污染极为敏感。但是本实验采用的环流式风洞具有优异的封闭性，除了观察窗口和几处调压口外，没有其他出口。最大可能地减少了灰尘对实验的影响。(3)流动方向的影响对于直丝探头，流体流速方向与热线风速仪探头垂直时，其所测速度就等于来流速度，否则便会影响测量结果。所以，在校准和测量时，必须保证热线风速仪探头与来流垂直。由于主气流的最大均方根速度脉动约在20％左右，这样的湍流度会给实验带来误差，同时，在垂直和水平纵向方向也存在流动，即便探针放置的位置对这个方向的流动不敏感，我们认为这不会给水平横向方向速度u的测量带来误差，但事实上，这部分误差的存在是毋庸置疑的。(4)测量位置的影响热线风速仪的测量方式属于接触式测量，所以对主流的流动必然会存在一定的干扰。另外，在近壁面区，由于探针不可能无限地接近壁面，因此热线风速仪对该区域的测量结果存在一定的误差。2．4总结本章主要介绍了本论文进行实验研究所需的实验设备，加热系统、红外观测系统、射流系统及其他的辅助测试工具，这一整套系统有机结合、组成一个完整的实验装置，最大限度的发挥了该系统的科学研究功效。并对实验可能出现的误差因素进行了分析。实验结果表明，该系统是一个可靠、可行的研究平台，可在后续的实验研究中继续发挥作用。 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究3．1前言第三章实验结果分析冷却壁面的绝热效率是衡量气膜冷却效果的一个重要指标。本章介绍了三个孔型在三个对风比(M-O．5，1．0，1．5)的情况下，实验后对所得到的冷却壁面效果图、冷却壁面射流孔中心线的冷却效率曲线和实验平板整个表面绝热效率分布图进行分析。绝热效率图的横坐标为一个无量纲数，其值为实际横坐标距离(X)与圆孔直径(D)的比值。3．2温度云图与孔中心线绝热效率使用红外热像仪进行观测的数据通过其自身的软件得到的图像就是一系列实验进行过程中温度云图的集合。从中按不同吹风比截取对应的图像就可以得到所需的温度云图。然后在所得到的图像中输出射流孔中心线上X／D=O～11之间的所有整数点的温度值，通过计算绘制出相应的绝热效率曲线图。3．2．1简单孔单孔M=O．5M=1．0图3．1a=35。，单孔 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究0105、0100J0095J0090J0085J0080Jc0075—0070—0065J006000550050＼．、．7”‘．、一、．＼／0+M=O．5—◆-M=1O2345678910x，D图3．2a=35。，单孔绝热效率曲线5M=OM_-1．0图3．3Q=60。，单孔M-_1．5—·一M=O．5—◆_M=1．0—-M=1．5僦]、弋．o040j＼、、．。，—71＼．o035I、、—＼／／▲X—D图3．4Q=60。，单孔绝热效率曲线≮＼＼．、。／／㈣瞄㈣瞄 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究M=O．5M-1．0M=t．5图3．5Q=90。，单孔—t_M=0．5。oa叫譬套、、：黜o060{、、k、0055-{H＼、一捌、氐00451▲、“o040j、＼、★—_▲J、、、0035]——、．．0。30}丁—1]—r丁了1—：厂丁可—t订，一102345678g011图3．6Q=90。，单孔绝热效率曲线观察图3．1～图3．6，比较三个角度射流孔的单孔绝热效率图我们可以得出，在单孔的情况下，Q=35。的绝热效率是最好的，并且在X／D>3后绝热效率都有部分的回升，说明冷却射流在流场下游又重新贴附到了冷却壁面。随着射流角度Ⅱ的增加，冷却壁面的绝热效率是随之减小的，这是因为Q值比较大时，射流轨迹对主气流区域的影响比Q值较小的情况下要大，在射流孔附近，射流与主流之间的掺混相对于Q值小时要更加的剧烈，在此过程中，剪切层当中主流的速度变化会显得更加明显，因此会降低绝热效率。通过观察温度的云图可以看出，冷却射流的覆盖区域也是吹风比较小的情况更为理想。在M=O．5时，三个不同射流角度(Q)的射流孔下游都有梭子形状的 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究冷却区域形成，并成向下游成辐射状，当吹风比增大后，射流的覆盖区域变得更狭长，向射流中心线靠近，这是因为射流动量的增加导致冷却气流无法在绝热壁面形成有效的保护膜。上述图表明，随着吹风比(M)的增加，绝热效率是随之减小的。这是因为随着吹风比的增大，射流的初始动量会随之增大，垂直方向的动量分量导致冷却射流会穿透主流的边界层，对主流的影响范围也增大，射流与主流交汇后不易弯曲、贴附到冷却壁面上。3．2．2简单孔单排M=O．5M=1．0图3．7Q=35。，单排图3．8Q=35。，单排绝热效率曲线 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究M：O．5．M--1．0M：-I．5图3．9Q--60。，单排＼、＼+rvl=1．o＼+rvl--1．5＼＼，／＼图3．10Q：60。，单排绝热效率曲线M=0．5M=1．0M--1．5图3．11a：90。，单排 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究-lUzj40，H91U11XD图3．12Q---go。，单排绝热效率曲线图3．7～图3．12可知，射流由单孔转变成单排之后，射流孔中心线上的绝热效率大致提高了80％-90％，效果是很明显的。这是由于多孔射流之后，孔射流之间的相互作用会导致在射流孔的下游形成纵向耦合涡对，而且耦合涡的涡心位置靠近壁面，靠近射流孔处的射流动量大，所以涡心涡量相对也大，于是紧挨着射流孔处的绝热效率高；随着主流往下，纵向耦合涡因耗散不断减弱，涡心位置不断提高，涡量也逐渐降低，绝热效率也随之降低。从图(60。，90。)可以看出，当射流角度变大后，吹风比对绝热效率的影响是要小于射流角度对它的影响，而且当Q=90。时，在X／D>4处开始，吹风比M=I．0，1．5的绝热效率是要大于M=O．5的。当Q=30。，60。时，在X／D>9处，吹风比M=O．5，1．0的绝热效率是几乎相当的，说明在远场，对于这两个射流角度，吹风比变化带来的影响不大。观察温度云图可知，在紧挨着射流孔的下游，孔与孔之间的区域存在着温度要高于射流孔下游的区域，称之冷却死区。这是因为两股射流在出孔之后无法迅速地汇合到一起进而覆盖到壁面上。而在纵向耦合涡形成之后，射流覆盖区域增加，冷却效率有所改善。 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究M：0．5M=1．0图3．13顺排—·一M=0．5—-一M：10—★_M=15015J●01』J——T——T——，——r————]——、——1——T——r——r————，——1——．——T——．——r—————110234567891011)。D图3．14顺捧绝热效率曲线从图3．13～图3．14可以看出，平板气膜冷却在双排顺排射流的情况下，绝热效率相比于单排的情况总体有所提高，吹风比M=0．5，1．0时，冷却效率随着X／D的值的增加逐渐减小，但是吹风比M=I．5时，在X／D>5时，绝热效率比吹风比M=0．5，1．0都要大。温度云图中，顺排前排的射流孔之间温度的情形更好地说明了射流孔之间是有冷却死区的存在。总体而言，由于有两排射流孔保证了有充裕的冷却气体，从温度云图可以看出顺排的温度变化相对与单排的时候要平顺得 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究多，并且冷却的纵向尺度也更大。3．2．4插排M=O．5M=1．O图3．15插排图3．16插排绝热效率曲线双排插排的绝热效率比顺排和单排的绝热效率要高出50％左右，并且随着吹风比(M)的增大而增大。图3．26可以看出，相比于顺排和单排的绝热效率，插排情况下，当吹风比M=I．5时，其绝热效率是最大的。综合三幅温度云图来看，插排射流在下游冷却射流的覆盖面纵向区域并没有比顺排的更广，但是覆盖区域内的冷却效果更加均匀，中间孔所在的下游区域绝热效率是最佳的，吹风比 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究M=I．5的图显示得更为直接。插排的冷却效率高是因为：依据Sinha的总结，前排射流孔的存在增厚了两排射流孔之间的边界层厚度，因为这一边界层减少了两排孔之间的主流的动量和剪切层的速度，而且也降低了第二排射流孔附近的湍流度。由于第二排射流孔处主流来流动量的减少使得第二排射流转换量的减少，从而保证了后排射流孔比前排射流孔射流出口后覆盖的范围更长、对主流的渗透也更厚。交叉排列保证前排先遇到主流的冷却射流补充了后排射流孔之间的间隙，从而保证了没有冷却死区的出现。双排的射流孔保证了有充足的冷却射流流量。3．3带复合角圆形孔3．3．1单孔M=O．5M=I．0M=1．5图3．17B=15。复合角，单孔 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究熏j震j—·一M=05＼050030—10123456789101X，D图3．18B=15。复合角，单孔绝热效率曲线M=O．5M=1．0图3．19B=60。复合角，单孔0065JI、0060005500450040‘、I＼、＼、、．‘＼l、心l＼、-—●——●r—_^+M：0．5—+_M=1．O—▲_M=1．5，一、t／、lM=1．5图3．20B=60。复合角，单孔绝热效率曲线32太～．一 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究M=O．5M=1．0M=1．j图3．21B=90。复合角，单孔图3．22B=90。复合角，单孔绝热效率曲线图3．17～图3．22分别为带复合角B=15。，60。，90。的单孔，在吹风比M=O．5，1．0，1．5时得到的温度云图和绝热效率曲线。与前文中的简单圆形孔比较，13=15。时，两者情况相差不大，特别是吹风比较小时。在射流孔下游都有梭子形状的冷却区域形成，并且随着吹风比的增大，冷却区域逐渐变窄，绝热效率也逐步下降。吹风比增加时，温度云图中冷却区域的偏转也更加明显。13=60。时，由于纵向射流分速度的存在，导致射流的覆盖区域倾向13的转向。13角使射流纵向长度变大，所以射流下游的冷却射流覆盖区域相对于简单角的情况较宽广。13=90。，射流的纵向覆盖区域比B=60。时更宽，当吹风比增大时，冷却区 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究域也因纵向动量的增大而向一方偏向更明显。从B=90。的温度云图中可以看出，M=I．5的射流覆盖区域大于M=O．5的，但其绝热效率要略低于M=O．5的绝热效率。3．3．2单排M=O．5M=1．0M=1．5图3．2313=15。复合角，单排图3．2413=15。复合角，单排绝热效率曲线M=O．5、{=1．0M=1．5图3．2513=60。复合角，单排34 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究图3．26B=60。复合角，单排绝热效率曲线M=O．5M=1．0M=1．5图3．2713=90。复合角，单排—．_M=O．5一——·一M=10图3．2813=90。复合角，单排绝热效率曲线图3．23--一图3．28为带复合角的多孔单排实验温度云图和绝热效率曲线。和简单孔一样，当射流为多孔时，孔与孔之间的射流在汇聚耦合后形成的保护膜要优于单孔的。 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究13=15。时，从云图看吹风比M=O．5的冷却效果要优于其他两个。吹风比的增大，使得孔与孔之间的绝热死区增大，M=I．5时最为明显。从绝热效率曲线看，吹风比的增加会使绝热效率下降。但吹风比M=I．0在X／D>8处，M=I．0的绝热效率要大于M=O．5的，说明在主流的远场，吹风比M=I．0的绝热效率要比其他两者都好。B=60。时，对比温度云图可得出，吹风比M=O．5的情况下，很好地解决的绝热死区的问题。在射流的出口，倾斜的射流角使得射流出射流孔后很快地与相邻的射流汇合到了一起，保证了是射流孔之间的区域得到了冷却保护。但是当吹风比增大后，孔与孔之间的冷却死区与射流孔的角度一样，倾斜地出现在孔的射流之间。这说明在吹风比M=O．5时13=60。的复合角保证了射流具有最佳的横向动量和纵向动量，在近孔区域形成了较好的冷却气膜。从绝热效率曲线图看，13：60。的绝热效率总体上是好于13：15。的绝热效率的。在此角度、吹风比较大时，其绝热曲线的下降相对于M-O．5时要平缓，并且当X／D>6后，较大吹风比的绝热效率都要优于M=O．5的绝热效率。说明大吹风比时，在远离射流孔的下游，冷却射流又重新粘附到了绝热壁面。13=90。时，由于射流孔完全有横向转成纵向，所以射流与主流的纵向接触面积增大、孔间间隙也由此变小，在孔附近区域的绝热死区是3个复合角中最小的一个。与其他两个复合角的规律一致，在吹风比M=O．5时，冷却死区最小；当吹风比增大后，冷却死区又增大。另外，由云图可知：13：90。，冷却射流的覆盖完全往13角旋转的一侧偏转，吹风比越大偏转越严重。从图中还可看出，在远离射流孔的下游壁面，当吹风比较大时，其壁面的温度是要低于吹风比M=O．5的，而且壁面温度也更加均匀。这是因为当吹风比增大时，射流的动量也随之增加，导致冷却射流在下游会窜入相邻的射流，从而使邻近射流孔下游的冷却气流增多，覆盖到绝热壁面。从绝热效率曲线图可以看出，当复合角13=90。时，3个吹风比的绝热效率都是3个不同复合角中最好的。并且到吹风比逐步增大时，其下游的绝热效率是越来越好的。当X／D>2后，吹风比M=I．0的绝热效率要比M=O．5的绝热效率。当X／D>6后，吹风比M=I．5的绝热效率要由于M=I．0的。这一规律与温度云图的现象是相符合的。 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究3．4反涡孔反涡孔是美国NASA-GlennResearchCenter的JamesHeidmann等人研发的一种新型射流孔。该孔型打破了以往独立射流孔的模式，在母孔侧边导出两个一定角度的孔径小于母孔的子孔。本文实验中孔型的角度在前文中已经详细介绍过，这里略过。3．4．1单孔M=O．5M=1．0图3．29反涡孔，单孔图3．30反涡孔，单孔绝热效率曲线 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究3．4．2单排M=O．5M=1．0M：I．5图3．31反涡孔，单排0zj40，dH1u】1)o图3．32反涡孔，单排绝热效率曲线反涡孔的整体情况与简单孔大体一致。从单孔的温度云图可以看出，在吹风比M=I．5时，孔下游冷却效果没有M=O．5的显著。从单孔的绝热效率益线图看，吹风比M=O．5，1．0时，在X／D>6后的壁面绝热效率两者是一致的。吹风比M=I．0的绝热效率在X／D>4后又两次不同程度的提高然后在下降。吹风比M=I．5时，从X／D=3到X／D：8之间的绝热效率是一样的，说明在此区域内，绝热效率没有因为距离的增长而减少，很好地覆盖的壁面表面形成了良好的保护膜。单排反涡孔时由于孔与孔的射流纵向耦合作用，从温度云图看，其冷却效果要显著地比单孔情况时好。吹风比M=O．5时具有最佳的冷却效果，吹风比的增加冷却效果随之下降。从绝热效果曲线看，吹风比M=I．0，1．5的绝热效率随距离的增加而下降的趋势相对于M=O．5的要平缓。特别是M=I．5时，从射流孔开始到X／D=8之间，绝热效率几乎是没有减小。结合单孔的情况考虑，说明此反涡孔的子孔在吹风比大时才能发挥功效，而且不能提高整体的绝热效率，只能增加射流 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究孔下游中远场的冷却效果。3．5壁面整体绝热效率分析上一节中的绝热效率只提取了射流孔中心线的温度，处理后得到的效率曲线，没有分析整个实验平板冷却壁面的绝热效率。本节以上节中的温度云图为对象，通过FLIR自身的分析软件R&Dsoftware提取平板表面上点的温度，经过处理后利用软件Matlab画出绝热效率在平板表面的等值线分布图，并予以分析。3．5．1简单孔(1)单孔射流时：051口15X／D图3．33Q=35。单孔g=O．539巷蜉 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究”：li，、．．‘气、‘．‘．+三伊叁社．．：．‘，0，产，j7．o§。．轴。051O15X／D图3．34Q=35。单孔M=I．005X／D1D15图3．35Q=35。单孔壮1．5 ：三：蚓蹇_‘_+i__誊戆≥．j+≯。：黼是苫皿靛麓张!亭掌i蘩裂?鼍罩繁>鞘必专#051D15X／D图3．36Q=60。单孔M=O．505X／D1O15图3．37Q=60。单孔M--1．041禽口啷∞霉9斗H∞50Tanm∞o已 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究05x／D1015≥稻、《》吃罄埋乱图3．38Q=60。单孔M=I．5■‘；辫+’；’溅澎?≮j。瓤．m露丽‘■薯誊．i潞娥X／D图3．39a--90。单孔M：o．54215卜m∞o＆∞笛噜莎攀瀑&暂鼙¨≮察I 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究5X／D10图3．40a=90。单孔M=-1．005X／D1015图3．41Q=90。单孔M=1．5对比上述不同Q角度的单孔在三个吹风比下的表面绝热效率分布图，除了前一节的结论之外，可以看出在单孔的情况时，虽然吹风比的增加和角度Q的增加都会减弱绝热效率，但是吹风比变化对绝热效率影响要大于角度的变化。(2)单排射流时43 5X／D10图3．42a=35。单排M=O．51X，jD10图3．43Q=35。单排M=I．01 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究05／／D1D15图3．44a=35。单排M=I．5o皿051015X／D图3．45a=60。单排M=O．54599一o_d匙￡0口 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究X／D图3．46a=60。单排M=I．015XT，／iD图3．47a=60。单排M_1．515 5X／D10图3．48Q=90。单排M----O．515K／D10图3．49Q=90。单排M=I．047 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究lILo5XT／／D1。15图3．50Q=90。单排M=I．5当射流情况变成是单排后，孔与孔直接会形成射流的耦合涡，这保证了单排的绝热效率要比单孔的情况时要高。Q=35。，当吹风比增大时，等值线的形状有贝壳形变成梭子形，绝热效率等值线向平板中心靠近，说明射流动量大时冷却气体的覆盖域变窄小了。Q=60。，吹风比M=O．5时，绝热效率的重心是在射流孔的的附近区域。当吹风比增大后，冷却的重心会随射流动量的增加而向流场远处偏移。如M=I．0时，X／D=4，绝热效率q=0．0491；M=I．5时，x／D：6，绝热效率n=0．0406。此规律在射流角Q=90。的三图对比中更加突出。当M--1．5时，在X／D：5处形成了一个n=0．101的环。48 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究(3)插排射流时：渥霆墓圜黼叁l主要’j摹葛i?≥≤SS≤一蠢≥黼雩鋈双誊慰翩童7；_’‘0．。。、．。，漆器～一_4篱!，‘I_．。，．r+．∥‘．．，。．，．．，，’05X／／／D1015图3．52顺排M_1．049 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究o5X／D1o15图3．53顺排M=I．5插排射流时，虽然吹风比增大会使绝热效率增加，但是最佳冷却区域是随吹风比增加而向中间孔靠近。当M=O．5时，从X／D=1到X／D=IO，等值线的分布都比较平缓，曲率很小。当吹风比M=I．0，1．5时，等值线的曲率变大，几乎是以中间孔圆心向前扩散的同心圆一般。吹风比小时，绝热效率的下降速度很快，当吹风比增大后，绝热效率随X／D值的衰减速度越缓。50 图3．55插排M=I，05l 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究o5。X＼，／uh1o15图3．56插排M=I．5顺排的规律与插排的规律相似，对比M=O．5与M=I．5的图中可看出，差值为0．05的两条等值线之间距离，M=I．5的明显要大于bt=O．5的，充分证明了大吹风比的情况下，其绝热效率随横坐标方向的下降是缓慢的，其余不再赘述。3．5．2带复合角孔 浙江理工大学硕士学篁笙茎兰堡墨堕堡塑塑塞堕堡壅——●————————_-————————●——————————————————●———————●——————————————-——————-——————————————一一一(1)单孔射流时：爨刊鸳aC弘IlI—_I—-L—L山口5X／Dlo15黧图3．57B=15。复合角，单孔M_O．5冁。囊紧黼矿黥警嘻qj一。．』∞鲁．誉’墨口’口牛≯≤≮瓣璧螨!兰N，。，零码‘，t毫c斗口中．，口5X／D1o15图3．88B=15。复合角，单孔M_1-053霉葛畔=904llrs0．qh9§04薯害唾 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究05X／D1o16图3．5913=15。复合角，单孔ll=1．5o5X／D1o图3．60B=60。复合角，单孔M-0．554n卜n口d跫￡0戽m。琴斗|ge蓦4h∞若，-lt∞鬈矗怼 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究a5X／7D10图3．61B=60。复合角，单孔M=I．0o5X／D10图3．62B=60。复合角，单孔M=I．555急￡0_q∞；04∞吕斗一吊。1lr曰m口啡呵8S0斗∞N∞o．口卜∞D口巳一卜罄斗投8珥c9c。4一导。斗国墨啤念昌qs【吕4一晷唪 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究o5X／D10图3．6313=90。复合角，单孔M=O．5o5X／D1o图3．64B=90。复合角，单孔M=I．056 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究o5X／D10图3．65B--15。复合角，单孔M--1．5单孔射流时，13=15。因为偏转角度不大，其冷却规律与简单孔无明显差异；B--60。在吹风比M--1．0时达到了最佳的冷却效果，M--1．5绝热效率有开始下降。并且下降趋势要大于M=I．0的。B--90。的绝热效率是三者中最优的。由于纵向跨度大，其气膜的覆盖面也是最大的。(2)单排射流时：。．罾楚争量墨。’o+。·。溪!二：饔尝．一稿毒05X／／D1015图3．66B=15。复合角，单排M--0．5 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究o5X／D1D15图3．67B=15。复合角，单排M=I．0夏5X／D10图3．68B=15。复合角，单排M=I．55815 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究o5X／D1o图3．69B=60。复合角，单排Y=O．505X，／D10图3．70B=60。复合角，单排M-1．059 o5X／D10图3．71B=60。复合角，单排M=I．55X／DIf}图3．7213=90。复合角，单排M=O．5 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究05X／7D10》移图3．7313=90。复合角，单排M=I．005X／D10入／U图3．74B=90。复合角，单排M=I．5单排复合角的射流情况如图3．66～图3．74，单排的冷却效果要好于单孔。13=15。时，射流的偏转不大，即使在射流孔附近，绝热效率也不高，吹风比增大迫使绝热效率降低。B=60。绝热效率要高于B=15。的，射流角度也有偏转， 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究但依然可以看出孔之见有冷却死区的存在。13=90。是三个单排复合角总绝热效率最好的一个，且在M=I．0时达到最大值。从整体而言，M=O．5的效果是最好的，它虽最大值没有M=I．0的大，但是其整个壁面的绝热效果分布均匀，等值线曲率小。3．5．3反涡孔o5X／D10图3．75反涡孔单孔M=O．5D5X,‘D10图3．76反涡孔单孔M=I．0 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究o5X／D1D图3．77反涡孔单孔M=I．5o5X／D1015图3．78反涡孔单排11=0．5 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究～：?～一一：。。＼一v，m煮爝：／，。～、r一一D5X／D1D15图3．79反涡孔单排M=I．0O5X／7D1O15图3．80反涡孔单排M=I．5图3．75～图3．80为反涡孔的绝热效率分布图。单排M=O．5时具有最佳的绝热效率。当吹风比增大至g=1．0，1．5，绝热效率会减小，但绝热效率的降幅会减少。M=O．5时，从X／D=O至X／D--5，绝热效率降低了0．05；M=I．0时，同样的距离绝热效率才下降0．01：而M=I．5时，中间所示的环形区域绝热效率是最高的。说明此反涡孔的子孔在吹风比大时才具有增强冷却的效果。但是反涡孔的总体冷却效果没有预期的高，分析原因为(1)子孔的出口位置和角度设计的不够合理，射流出孔后没有对母孔气流与主流形成对肾型涡起应有的干扰作用；(2)从温度云图和绝热效率图可以看出，子孔的射流量情况不够理想，从吹风比增加 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究有益绝热效率的增加这一现象可得出，子孔的射流量大时可以得到较好的绝热效果。3．6本章小结本章通过前文所述建立的实验台完成实验，分析了各种孔型在不同吹风比下的温度云图、射流孔中心下游的绝热效率曲线、整个冷却壁面的冷却效率分布图，对比了不同孔型，单孔、单排和双排的实验结果，得出吹风比、射流角度等因素对气膜冷却效果的影响。65 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究第四章数值模拟由于现今高速计算机迅猛发展与计算软件的多元化、精确化都优于过往任何一个时候，数值模拟已经成为科学研究的重要手段之一。在航天、医学、交通、生产、制造等各个领域无处不见数值模拟的身影。相比于实验研究，数值模拟的优势是显而易见的，快速、便捷、省时省力，可以通过模拟计算得到完整的实验数据，适用于多种模型，多种流动状态等，数值计算可以协助科研人员全面深入地理解现象的本质，揭示流体运动的规律，指导实验研究等发挥着非比寻常的作用，并且随机计算机硬件和软件计算能力的日益强大、功能繁多，数值计算将变得越来越精确。流体领域的数值模拟统称计算流体力学(CFD)。4．1基本原理质量守恒定律、能量守恒定律、动量守恒定律是物理学中三大永恒不变的定律，包括固体运动和流体运动在内的所有运动都要遵循这三大规律。计算流体力学(CFD)就是依托高性能计算机强大处理能力，通过各种数值解法来计算描述这三大规律的数学方程，获取流动过程中的温度、速度、压力和密度等各种数据。依据本论文研究对象的流动特性，因为主流和射流的流动速度并不快，主流温度的变化也不大，所以可以假设两者为同种不可压缩气体。4．1．1控制方程计算流体力学的控制方程本质上是描述三个运动规律的数学方程，它们分别为连续性方程、N-S方程、能量守恒方程，在三维直角坐标系中它们的数学公式分别为：(1)连续性方程4一(1)望+皇熊+皇盟．F—a(v—w)：04一(1)at瓠却az(2)N-S方程4一(2)～4一(4)一a(pu)．t-div(伽材)：一望+翌+笠+蔓+E4一(2)西”7缸叙加瑟1 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究下a(pv)+div(pv咖一砉+塑Ox+等+擘Oz+eot魄∞’丁a(pw)+my(pwu)=一呈Oz+等+等+錾Oz+只饼Ck咖(3)能量方程4一(5)_a(pZ)+坊v(彤丁)：坊1，(兰二g棚)+s，Otcp4一(3)4一(4)4一(5)由于在本论文的数值模拟中，考虑流体的黏性需要选择合适的湍流模型。湍流模型其实就是把湍流黏性系数与湍流时均参数联系起来的关系方式。主要的湍流模型可分为标准k—e湍流模型、重整化群k—e湍流模型和可实现k一￡湍流模型。对于计算充分发展且雷诺数大的流体运动时标准k—e湍流模型和重整化群k—e湍流模型是最符合实际情况的。但是根据根据笔者此前多次对上述三种湍流模型分别进行数值模拟计算，将得到的数据与以往学者的相关实验研究结果相比较、分析，得出结论是选择可实现k—e湍流模型进行平板气膜冷却的数值模拟得到的结果和实验研究结果是最相符的。因此在下文的数值模拟中，湍流模型会选择可实现k一￡模型。4．1．3数值求解方法流体力学数值求解方法有多种，数学原理各不相同，本节选取其中重要的几个和本论文数值模拟中相关的方法，略加介绍。(1)壁面函数法本论文的数值计算重点在贴近绝热壁面附近区域，在该区域由于主流和射流刚汇合在一起，湍流发展不够充分，雷诺数不大，流体分子间的黏性作用对运动的影响大于湍流运动的影响，所以前文所述的标准k—e湍流模型和重整化群k—e湍流模型并不适合本数值计算。在计算过程中需要对绝热壁面进行特殊处理，所以在计算时选择壁面函数发对壁面流动进行处理。(2)二阶迎风格式普通的迎风格式由于在矢通量分裂方法中采用一阶单侧差分或在戈杜诺夫67 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究方法中假设网格单元内的流动参数是常数，所以这些方法只有一阶精度。对于单侧差分，可以使用二阶精度的单侧差分，然后获得一个二阶迎风差分格式。因为二阶迎风格式具有更高的计算精度，所以在下文的计算中选择二阶迎风格式，以便获得更精确的计算结果。(3)SIMPLEC算法SIMPLEC算法是压力耦合方程的半隐式算法的改进算法。从多种数值模拟的文献中可以看出，通过SIMPLEC算法对速度和压力耦合关系进行处理得到的计算结果与气膜冷却的实验结果最接近。所以在本论文的数值计算时选择SIMPLEC算法处理压力和速度的耦合关系。本文数值模拟采用ANSYS公司旗下的FLUENT6．3．26软件为主体进行计算，包括计算的前处理的软件Gambit用以进行建模、网格划分和设置边界条件和后处理软件Tecplot和Origin等。4．2．1CFD求解过程FLUENT求解过程中，无论是流动问题还是传热问题，稳态问题还是瞬态问题，其求解过程都可以用图4．1表示： 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究4．2．2计算模型建立控制方程J确立初始条件及边界条件上划分计算网格、生成计算节点上建立离散方程上离散初始条件及边界条卜上给定求解控制参数J求解离散方程t／／＼<<解收敛否?>＼＼／否是I◆显示和输出计算结果图4．1CFD工作流程图本文数值计算的模型以实验平板为基础，射流平板尺寸为500mmX300rmm，射流孔为圆形孔，直径D=10mm，长径比L／D=4，孔间距3D=30mm，排间距6D=60mm，插排排列意指前排孔的中心线与后排孔孔间中线对齐。主流速度10m／s，温度346K，射流温度298K，按吹风比M=0．5，1．0，1．5来进行设置射流速度。射流角度Q=35。。为了在绝热壁面得到最佳的数值模拟结果，也为了更快的得到计算结果，将模型构建成两个空间：从主流入口到射流孔后排出口为空间1，此空间采用非结构化网格进行划分；从后排射流孔出口到最后出口为空间2，此空间采用结构化网格。建模后的网格模型如图4．2，图4．3。 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究图4．2绝热壁面网格图图4．3整体网格图计算选择模拟条件时，按前文所述，湍流模型选择湍流Realizablek—e方程，用标准壁面函数处理边界，选择SIMPLEC算法实现压力、速度耦合。计算后的收敛曲线，如图：4．4。从图中可以看出，计算的各参数在运行600次左右后一直处于水平状态，或无变化或有微小波动，所以可以认定该计算结果已经收敛。在首次计算后采用自适应办法按速度梯度进行网格精细化处理，再次计算结果与原结果差异不大，即本文所建立的计算模型符合网格无关性，计算结果不受网格影响。 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究日FLUZffr【0】FluentInc百回日Re：HJ甜：一cOmIn删v，．veIochvlE03一⋯vvelocnv：velocnY弘——E．,f-iet鲋l-[C一leD4_1eL15一＼le睡一1e07—、．L11e幛一IeU■05D010u015f,(t：蛐0二∞0洲0WD∞[1【l弗蛐lt÷f．a“Or-IS卜““⋯”w．u-e麓1：麓篙I4．3结果分析4．3．1温度云图图4．4残差曲线图-J^n一《．一融一-气．30000一羹耄寥F125一_●==二--J。。。‘‘‘’——一Z—一一02040X，D图4．5绝热壁面温度场(K)M=O．51＼"I----1．0M二1．5图4．5为按照实验对插排在相同参数情况下的数值模拟后得到的绝热壁面冷却效果图。M=O．5时，在X／D：20处其射流中间孔下游的温度已经上升至335K； 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究M=I．0时，在同等位置冷却温度基本上已经下降到了330K；而到M=I．5时，330K的温度线已经完全延伸到了X／D=40后面了。对比三图可发现，同一数值的等温线，在吹风比大时相对于吹风比小时其覆盖的区域要相对靠后，说明吹风比增大会加强其冷却效果，并且吹风比增大后，最佳冷却效果是往中间孔的下游中心靠近的，这与实验所得结果是一致的。但与实验结果所得的绝热效率分布图相比，可以看出：数值模拟所得的冷却壁面相对于实验所得的壁面长度要大，说明在实验研究中，冷却气体对壁面的保护长度比较小，冷却气体在射流下游的远场已经失去了对壁面的保护作用。4．3．2绝热效率图4．6插排绝热效率曲线图4．6是实验和数值模拟中射流孔中心下游的绝热效率曲线。虽然数值模拟的有效冷却壁面长度很大，但为了与实验结果有一个更好的对比，只截取了两者相同位置点的数据。从图中可以看出，由于数值模拟时所设置的壁面条件、流体的流动参数、流体间的相互作用等因素都比实验的实际情况要理想的多，所以数值模拟得到的绝热效率更好是毋庸置疑的。特别是在射流刚出射流孔的位置，数值模拟的绝热效率要比实验所得高出一倍以上。但到X／D=IO的位置，两者的差距已经减少许多。数值模拟的绝热效率在射流孔出口所得值较大，但是它随X／D值的增大下降很快；相比与数值模拟，实验结果所得的绝热效率随X／D值的增加而下降的缓慢许多，几乎接近水平。对比吹风比对绝热效率曲线的影响，数值模拟结果在X／D<4的位置，无法看出吹风比对绝热效率的影响，但在X／D>4的位 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究置，吹风比的增大会增加冷却气流对绝热壁面的保护效果。实验结果的趋势与数值模拟在X／D>4位置的变化情况一样，吹风比增大会提高绝热效率，并且其变化趋势比数值模拟时要明显得多。4．3．3X-Y剖面图相比于实验研究需要通过特殊装置才能观察到特定的实验现象和数据，数值模拟的特点就是数据全面，可以全方位的得到实验中的各项数值和现象。本节通过计算软件截取计算过程中X-Y剖面图，从侧面分析冷却射流出孔后的变化情况。40D孓2040×，D图4．7M=O．52040×仍图4．8M=O．5050505050432A≯， 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究40凸孓2040X巾图4．9M=O．5图4．7～图4．9分别为吹风比M=O．5，1．O，1．5的X-Y剖面温度云图。从图中可以看出，由于是插排，在射流孔之前已经有冷却射流存在，并且有一定的保护膜形成。依据Sinha等在其文献中的结论，前后两排孔之间已经形成的边界层降低了主流在冷却壁面附近的速度，为后排冷却射流在壁面形成更好的保护膜提供了夯实的基础。对比三图可发现：当吹风比增大后，排与排之间的边界层变厚了，所以贴近壁面的绿色的冷却射流的覆盖尺度从M=O．5中的X／D=20增加到了M=I．5中的X／D=50处。4．4本章小结本章介绍了计算流体力学的基本概念、计算所依据的控制方程、湍流模型、数值解法等相关理论，根据实验研究的装置创建了相等的计算模型、划分网格、设置相应边界条件等计算所需参数，进行了数值模拟。将所得计算结果与实践研究的结果进行了对比、分析，也从实验研究无法观察的平板侧面温度场进行了分析、对比。虽然实验结果与数值模拟直接存在着一定的差异，但结论和现象基本上是一致的，说明本实验研究的模型是成功的，实验结果是符合规律的，可以用于工业生产和科学研究。74 浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究5．1结论第五章总结与展望本论文以平板射流气膜冷却实验研究为主要内容，选取了简单圆形孔、带复合角圆形孔、反涡孔为研究孔型，通过红外热像仪来进行观测。对比了在不同吹风比下，不同射流角度角度、不同排列方式等实验条件下，绝热壁面的温度云图、射流孔中心下下游绝热效率曲线和整个壁面绝热效率的等值线分布图，得出如下结论：(1)圆孔单排射流的情况下，射流吹风比在M=O．5时具有最佳的绝热效率吹风比增加会导致绝热效率的降低，也会导致冷却气体的有效覆盖面积减少。(2)圆孔单排的绝热效率要高于单孔，绝热效率在吹风比M--O．5是最大，吹风比增大会降低绝热效率。射流孔出口附近孔与孔之间存在冷却死区。(3)对于带复合角的射流孔，对减少简单射流孔空间的冷却死区具有较好的效果。B=15。，60。时，吹风比M=O．5时具有最佳的冷却效果。B=90。的复合角是三个复合角中效果最好的，并且在M=I．0时效果最佳。(4)双排(顺排，插排)射流时，两者都有比较好的绝热效率。两者都随吹风比的增大而增大，插排的绝热效率又要优于顺排的。(5)数值模拟了插排射流的实验情况进行验证，表明虽然实验和数值之间存在一定差异，但整体而言实验结果与数值计算结果基本上一致，证明该实验研究的模型是成功。(6)反涡孔在吹风比大的情况下中下游流场的绝热效率得到提升，但反涡孔整体绝热效率没有预期的高，总结原因是射流子孔位置和角度不佳，子孔的射流流量不充足。5．2研究展望对气膜冷却绝热效率的影响包含很多因素，本论文由于工作量等限制，仅研究了吹风比、射流角度和射流孔排列对绝热效率的影响。后续工作可以在现有的实验平台下，加工其他孔型进行实验研究，特别是本次实验中不够理想的反涡孔，