斜孔射流的湍流掺混及传热特性研究

In the case of jet in cross flow, the flow ejected into the main flow and mixes with the main flow as it transports downstream, forming complex turbulent structures. In previous studies, the turbulent characteristics is mostly studied based on models, where the jet enters the main flow perpendicularly. In the current study, the inclined jet in cross flow is investigated by numerical, experimental and analytical methods. One important application of inclined jet in cross flow is the film cooling, a thermal protection method used for high pressure turbines in aeroengines. The flow mixing, the transportation and development of the turbulent structures as the inclined jet mixes with main flow will be investigated. The effects of turbulent characteristics on the heat transfer will also be investigated. Large eddy simulation will be carried out to investigate the turbulent characteristics. Meanwhile, the results from large eddy simulation will be compared to the results obtained based on the RANS method to improve the understanding of turbulence modeling for jet in cross flows. The experiment will be carried out in a water tunnel. Laser planer induced fluoresce method and PIV methods will be used for measurement. The effects of the jet flow pattern near the exit of the cooling hole will be investigated. The effects of the geometries of the injection hole, the velocity ratio of the main flow and the jet flow, the flow direction inside the jet flow plenum will be investigated. Based on the understanding of turbulent structures, the flow control methods will be developed to improve the cooling effectiveness.

横向射流指流体经过射流孔进入主流发生掺混，会形成复杂的湍流结构。以往对于横向射流的湍流特性研究对象多为垂直射流。本项目以航空发动机高压涡轮叶片的气膜冷却这一热防护技术为背景，采用数值模拟、实验和理论分析的方法，分析斜孔射流与主流的流动掺混特性，揭示湍流结构的发展和演化过程，并分析湍流特性对壁面传热性能的影响。数值上将采用大涡模拟的方法来研究的瞬态流动特性，同时将大涡模拟和RANS方法所得结果进行对比，以深入对湍流掺混中湍流特性预测的认识，为进一步发展湍流模型提供理论基础。实验将在水洞实验模型上进行，采用平面激光诱导荧光(PLIF)和PIV的方法进行测量。研究将理解射流孔内出口流动特性对掺混的影响，揭示射流孔几何、主流与射流速度比、冷气腔进气方向等因素对流动结构和湍流特性的作用规律。基于湍流结构的理解，发展流动控制的方法以优化传热、改善冷却效果。本项目的研究目标和内容与指南高度契合。

横向射流指流体经过射流孔进入主流发生掺混，会形成复杂的湍流结构。本项目以航空发动机高压涡轮叶片的气膜冷却这一热防护技术为背景，分析斜孔射流与主流的流动掺混特性，揭示湍流结构的发展和演化过程，并分析湍流特性对壁面传热性能的影响。研究通过激光诱导荧光的手段测量了水洞中斜孔射流模型的瞬态流动特性，通过压力敏感漆传质模拟的方法测量了风洞中斜孔射流模型的壁面气膜冷却效率，同时还采用了大涡模拟的数值方法。.当主流来流边界层为层流和湍流两种不同状态下，斜孔射流和主流的掺混特性。当主流来流边界层为层流时会形成明显的马蹄涡结构；当主流来流边界层为湍流时，马蹄涡不明显。不同的前缘涡系结构使得孔附近流动掺混特性不同，冷却效果也不同。为了理解射流孔几何形状的作用，研究了不同几何孔的流动和传热特性。时间平均流场表明，扇形孔下游所形成的反向旋转涡对涡心之间距离更远，因此气膜冷却效率更高。研究中还分析了湍流掺混对流动掺混区域的温度场也会随着拟序涡的输运表现出间歇性。.在此基础上，采用大涡模拟方法进一步研究了不同吹风比下圆孔和扇形孔的流动与传热特性。随着吹风比的增加，圆孔情况下射流经历了从附着在壁面至完全分离的过程。相比于圆孔，扇形孔情况下的涡系掺混更加贴近壁面，在吹风比大于1 之后大部分射流冷气依然贴覆在壁面。在不同的吹风比下，射流孔出口背风面附近都存在着一个湍动能的极大值区域，此处流动和温度掺混剧烈。随着吹风比的增加，冷气掺混逐渐向远离壁面的方向发展，圆孔与扇形孔的壁面气膜冷却效率逐渐降低。但是在相同的吹风比下，扇形孔的空间平均气膜冷却效率高于圆孔。.本项目成果截止目前为止发表了SCI期刊论文6 篇。