气膜冷却流场及能量分离的实验研究

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2、解决高进口温度和涡轮叶片使用寿命之间的矛盾。气膜冷却技术是一种非常重要的叶片冷却保护手段。气膜冷却是包含了传热传质和涡结构的复杂流动过程。而流场中因为涡产生的压力变化以及粘性力的作用会使气流产生温度分布差异，即能量分离现象。本文以探究气膜冷却流场及其中的能量分离现象为目的，搭建平板气膜冷却实验台，利用三通式热线风速仪和热电偶，实验研究了气膜冷却的流场及能量分离现象的强度及分布。分别测量了射流角α=30°的射流平板，在吹风比M=1.5、2.0、2.5、3.0、∞工况下X/D=0.1、0.3、0.5、1.0、2.0、4.0、7.0、10、15截面的垂直和水平中心

3、线的温度、速度分布；并对M=∞、1.5两种工况做了数值模拟。通过数据处理以及对比分析，有如下结论：（1）射流速度在X/D≤2.0的范围内衰减较慢，在X/D≥4.0的区域衰减较快。X/D≤2.0为速度核心区，X/D=2.0~4.0为过渡区，X/D≥4.0为充分发展区。湍流度的分布与速度分布呈相反趋势。（2）当M=∞时，垂直方向上，X/D=0.3截面处能量分离强度最强。在水平方向上，X/D=0.1、0.3、0.5三个截面的正负向能量分离强度呈交替分布，X/D=1.0时的正负向能量分离强度均较大。X/D=2.0时，因射流抬离壁面，垂直和水平方向负向能量分离现象均消

4、失。每个截面的能量分离现象都发生于射流中心的附近。（3）主射流之间的作用导致能量分离现象的改变。M=3.0、2.5、2.0时能量分离强度最大的截面分别是X/D=0.3、0.1、0.5；M=1.5时正负向能量分离强度最大截面分别是X/D=0.3、0.1。（4）对比所有吹风比工况，垂直跨度最大的是M=∞工况，随着吹风比的减小，垂直方向的能量分离范围随之减小。能量分离强度最大的是M=1.5工况，故吹风比较小时近孔区域气膜冷却效果较好。（5）数值模拟结果验证了气膜冷却流场中能量分离现象的存在，M=∞工况X/D=0.1、0.5截面的水平能量分离和X/D=2.0的垂直能

5、量分离与实验结果吻合度高，其他截面的能量分离强度均小于实验值。关键词：平板气膜冷却、吹风比、速度比、湍流度、能量分离因子、实验研究I浙江理工大学硕士学位论文气膜冷却流场及能量分离的实验研究ABSTRACTGasturbineisahighefficientandcleanadvancedmachinery,andhasimportantapplicationsinallnationaleconomyfields.Inordertofurtherimprovethethermalefficiencyandpoweroutput,itisnecessarytoi

6、ncreasetheinlettemperature.Sothecontradictionbetweenhighinlettemperatureandservicelifeoftheturbinebladesarises.Filmcoolingtechnologyisaveryimportantmeansofturbinebladesprotection.Thefilmcoolingiscomplexbecauseofitsheatandmasstransferandthevortexstructure.Andtheviscousforceandthepre

7、ssurefluctuationcausedbythevortexstructurecanmakethetemperaturedistributiondifferences,namelytheenergyseparationphenomenon.Inthispaper,forthepurposeofexploringtheflowfieldandenergyseparationphenomenaoffilmcooling,theauthorbuildsplatefilmcoolingexperimenttabletostudytheflowfieldandt

8、heintensityanddistribution