颗粒在平板气膜冷却壁面沉积机理研究

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1、学校代码10699分类号V231.1密级学号2012100513题目颗粒在平板气膜冷却壁面沉积机理研究作者赵静宇学科、专业航空宇航科学与技术指导教师刘振侠教授申请学位日期2017年11月西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：颗粒在平板气膜冷却壁面沉积机理研究作者：赵静宇学科专业：航空宇航科学与技术指导教师：刘振侠教授2017年11月InvestigationsofparticledepositionmechanismontheflatplatewallwithfilmcoolingholesADissertationS

2、ubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofEngineeringbyZhaoJing-yuSupervisor:Prof.LiuZhen-xiaAeronauticalandAstronauticalScienceandTechnologyXi’anP.R.ChinaNovember2017摘要摘要航空发动机在沙尘及飞灰等环境中工作时，颗粒物会在遍布气膜孔的涡轮叶

3、片壁面沉积，并逐渐形成一定的沉积形貌。颗粒的沉积不仅会影响涡轮叶片的气动效率亦会改变其传热性能，更有甚者，沉积物堵塞气膜孔，直接影响涡轮叶片的使用寿命。考虑到气膜冷却仍然是现阶段涡轮叶片上应用最普遍、也是最重要的冷却方式，因此，本文开展的颗粒在气膜冷却壁面沉积机理研究，对于规避涡轮叶片壁面的颗粒沉积、提高复杂颗粒环境下涡轮叶片的使用寿命及航空发动机的生存能力等具有重要的意义。本文首先从颗粒的稳态沉积研究入手，以近壁区流场处理、颗粒/壁面相互作用及颗粒受力等为建模重点，基于欧拉-拉格朗日体系构建了适用于稀疏两相流的稳态沉积分析

4、方法，主要包括颗粒运动模型及颗粒-空气单向耦合计算方法；在计算方法验证的基础上，对颗粒在高温平板气膜冷却壁面的稳态沉积机理进行计算研究，分析工况条件及气膜结构等因素对颗粒沉积率的影响，并初步揭示了颗粒在气膜冷却壁面的沉积机理。然后，考虑到沙粒在涡轮环境下非稳态沉积现象的复杂性，论文在总结颗粒沉积特点的基础上，通过相似和模化研究，将实际发动机涡轮环境下工况参数与低温气膜冷却平板研究模型结合起来，设计了结构相对简单的低温研究模型及实验平台；在权衡计算效率、抓住重点的基础上，基于欧拉-欧拉法建立了一套完整的颗粒在气膜冷却壁面非稳态

5、沉积分析方法，主要包括离散多相流模型及非稳态液固膜计算模型，并验证了计算方法的可靠性。最后，本文对颗粒在低温平板气膜冷却壁面非稳态沉积机理计算研究，一方面研究了气膜孔附近两相流场结构及颗粒非稳态沉积的演化过程，另一方面对影响颗粒沉积的无量纲因素进行探究，主要包括主流雷诺数、颗粒相浓度、颗粒斯托克斯数、吹风比及平板攻角等工况因素和气膜孔入射角度、展向间距、开槽深度及气膜孔的排布等气膜结构因素，揭示了颗粒在气膜冷却壁面沉积分布机理。论文的主要结论如下：(1)通过颗粒在近壁区的受力计算，表明拖曳力的大小对颗粒直径和主流平均速度较为

6、敏感，Saffman力对主流平均速度较为敏感，而热泳力则对颗粒直径和环境温度较为敏感；在不同工况条件下，各力对颗粒沉积的影响与受力分析一致，此外，通过颗粒受力量级比较，认为在使用欧拉-拉格朗日方法进行计算研究时，拖曳力和Saffman力不可忽略，而热泳力则视工况条件进行取舍。(2)对高温平板气膜冷却壁面颗粒沉积机理进行研究，认为射流的贴壁性、展向流场的均匀性、涡的扰动强度等是影响颗粒在壁面的沉积的主要原因，且射流贴壁性越好，涡的扰动强度越小，展向流场均匀性越好，越不利于颗粒沉积；此外，吹风比的变化主要改变涡的扰动强度，气膜孔

7、入射角度和开槽主要改变射流的贴壁性，多排孔的顺叉排I西北工业大学博士学位论文布主要改变展向流场的均匀性。(3)对低温平板气膜孔附近两相流场分布及颗粒沉积非稳态特性的计算研究表明：由于颗粒惯性及空气对颗粒相的拖曳作用，颗粒相在气膜冷却平板附近会出现近壁高浓度带及局部低浓度区，同时，冷气流的射入会直接影响气膜孔下游颗粒相分布；在600s的沉积模拟过程中，相同位置处颗粒沉积厚度随时间的增加均是增大的；因颗粒速度与壁面切向夹角的差异，前缘处沉积厚度量级至少比气膜孔附近壁面大一倍，且前缘处沉积形貌随时间的变化会在一定程度上改变平板附近

8、流场及气膜冷却效率。(4)无量纲工况因素对颗粒沉积影响的计算研究表明：主流雷诺数、颗粒相浓度及平板攻角三因素主要是从量的累积的角度改变沉积形貌，颗粒沉积形貌的变化趋势基本相似；颗粒斯托克斯数和吹风比则分别通过改变颗粒惯性及射流动量来影响颗粒沉积的趋势，沉积形貌不再具有相似性，分析认为颗粒沉