超声速与亚声速气膜流动和冷却特性数值研究

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1、第４５卷第１期航空计算技术Ｖｏｌ．４５Ｎｏ．１２０１５年１月ＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌＣｏｍｐｕｔｉｎｇＴｅｃｈｎｉｑｕｅＪａｎ．２０１５超声速与亚声速气膜流动和冷却特性数值研究１，２１１１１廖华琳，单勇，张靖周，吉洪湖，谭晓茗（１．江苏省航空动力系统重点实验室／南京航空航天大学能源与动力学院，江苏南京２１００１６；２．中国燃气涡轮研究院，四川成都６１０５００）摘要：以平行入射缝槽气膜冷却为研究对象，开展了主、次流分别为亚声速和超声速流动状态下的气膜冷却数值模拟。计算结果表明：对于主流为超声速、次流为亚声速的气膜冷却，

2、主流热量和动量很快就输运到亚声速次流中，气膜核心区很快被破坏，气膜冷却效率不高；在主流为超声速流动的情况下，施加相同吹风比的超声速冷却次流可将其核心向下游更远的地方输运，与常规的亚声速气膜冷却结构类似。为了获得较高的气膜冷却效率，在主流为超声速流动的情况下，建议施加超声速次流进行气膜冷却。关键词：超声速气膜冷却；吹风比；数值模拟；流动特性；冷却特性中图分类号：Ｖ２１１文献标识码：Ａ文章编号：１６７１桘６５４Ｘ（２０１５）０１桘００３０桘０５NumericalStudyofFlowandCoolingCharacter

3、isticsforFilmCoolingonSupersonicandSubsonicConditions１，２１１１１ＬＩＡＯＨｕａ桘ｌｉｎ，ＳＨＡＮＹｏｎｇ，ＺＨＡＮＧＪｉｎｇ桘ｚｈｏｕ，ＪＩＨｏｎｇ桘ｈｕ，ＴＡＮＸｉａｏ桘ｍｉｎｇ（１．JiangsuProvinceKeyLaboratoryofAerospacePowerSystems／CollegeofEnergyandPower，NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics，Nanjing２１００１６，Chin

4、a；２．ChinaGasTurbineEstablishment，AviationIndustryCorporationofChina，Chengdu６１０５００，China）Abstract：Ｔｈｅｆｉｌｍｃｏｏｌｉｎｇｆｌｏｗｏｆｔｗｏｐａｒａｌｌｅｌｆｌｏｗｓｗｉｔｈｓｕｐｅｒｓｏｎｉｃｏｒｓｕｂｓｏｎｉｃｖｅｌｏｃｉｔｙｗａｓｓｉｍｕｌａｔｅｄｔｏｒｅｖｅａｌｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｓｕｐｅｒｓｏｎｉｃｃｏｏｌｉｎｇａｎｄｔｈｅｓｕｂｓｏｎｉｃｃｏｏｌｉｎｇ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏ

5、ｗｔｈａｔ：ｔｈｅｆｉｌｍｃｏｏｌｉｎｇｗｉｔｈｓｕｐｅｒｓｏｎｉｃｐｒｉｍａｒｙｆｌｏｗａｎｄｓｕｂｓｏｎｉｃｃｏｏｌａｎｔｆｌｏｗ，ｔｈｅｃｏｏｌａｎｔｆｌｏｗｗｉｔｈｌｏｗｅｒｍｏｍｅｎ-ｔｕｍｉｓｓｈｅａｒｅｄａｎｄｄｒａｇｇｅｄｂｙｔｈｅｈｉｇｈｅｒｍｏｍｅｎｔｕｍｐｒｉｍａｒｙｆｌｏｗｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｖｉｓｃｏｕｓｆｌｕｉｄ．Ｔｈｅｔｈｅｒ-ｍａｌａｎｄｍｏｍｅｎｔｕｍｏｆｔｈｅｐｒｉｍａｒｙｆｌｏｗｔｒａｎｓｆｅｒｉｎｔｏｔｈｅｃｏｏｌａｎｔｆｌｏｗｒａｐｉｄｌｙ．Ｉｔｃａｕｓｅｔｈｅｇｒｅａｔ

6、ｄａｍａｇｅｔｏｔｈｅｃｏｒｅｏｆｆｉｌｍａｎｄｄｅｃｒｅａｓｅｔｈｅｃｏｏｌｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｄｒａｍａｔｉｃａｌｌｙ．Ｉｎｃｏｎｔｒａｓｔ，ｓｕｐｅｒｓｏｎｉｃｃｏｏｌａｎｔｆｌｏｗｃｏｕｌｄｄｅｌｉｖｅｒｔｈｅｆｉｌｍｆｕｒｔｈｅｒｔｈａｎｔｈｅｓｕｂｓｏｎｉｃｆｌｏｗｏｎｔｈｅｓａｍｅｂｌｏｗｉｎｇｒａｔｉｏ．Ｔｈｅｔｗｏｓｕｐｅｒｓｏｎｉｃｆｌｏｗｓｈａｖｅｓｏｍｅｓｉｍｉｌａｒｉｔｙｏｆｓｈｅａｒｌａｙｗｉｔｈｔｈｅｔｗｏｓｕｂｓｏｎｉｃｆｌｏｗｓｉｎｔｈｅｍａｎｎｅｒ．．Keywords：ｓｕｐ

7、ｅｒｓｏｎｉｃｆｉｌｍｃｏｏｌｉｎｇ；ｂｌｏｗｉｎｇｒａｔｉｏ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｆｌｏｗｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ；ｃｏｏｌｉｎｇｃｈａｒ-ａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ引言发动机排气喷管壁面冷却是降低排气系统红外辐射的为适应第四代战斗机超声速巡航能力的需求，作重要措施。通常，气膜冷却作为一种高效的主动冷却为飞行器推进系统的航空燃气涡轮发动机的推重比呈技术已在航空发动机涡轮叶片、燃烧室壁面的冷却结现不断增加的趋势，随着推重比１０航空燃气涡轮发动构上广泛运用，但是将该技术运用在发动机排气喷管［３－５］机

8、的出现，涡轮进口燃气温度已接近２０００Ｋ。对于下壁面冷却上却会遇到一些新的问题。现有研究结一代航空燃气涡轮发动机，其推重比的发展目标为１５果表明：气膜射流与超声速主流作用后，在壁面的分离～２０，届时涡轮进口燃气温度高达２２００Ｋ－２３００Ｋ。点上游形成高压区域，形成的激波与喷流相互作用，喷涡轮进口燃气温度的提升，增强了排气喷管的红外辐管内的分离