旋转状态下全环涡轮叶片中部单孔气膜冷却的换热与流动机制

旋转状态下的全环涡轮叶片气膜冷却研究对航空发动机叶片冷却结构设计具有更实际的指导意义，但由于其固有的难度研究较少。本项目以1.5级涡轮叶片旋转气膜冷却实验台为载体，借助液晶测温技术、PIV和流场显示等组成的测试系统，并结合CFD数值仿真技术，探索不同转速下全环涡轮叶片中部单孔气膜冷却的换热和流动机制，建立相应的换热和流动模型，分析旋转附加力的作用机理，比较涡轮通道流动结构对气膜冷却的影响，同时定量分析涡量改变对旋转换热特性的影响机理，将研究结果纳入涡轮转子叶片冷却结构设计体系，为航空发动机高效冷却结构设计提供基础性的理论支撑，并为发展我国自主的先进涡轮叶片冷却关键技术作出贡献。

本项目采用实验研究和数值计算相结合的方法，对旋转状态下的全环涡轮叶片中部单孔气膜冷却展开了深入细致的机理研究，重点揭示了旋转换热特性和流场变化规律。整个研究工作严格按照计划书要求进行，以实验研究为主，数值计算为辅。以1.5级涡轮叶片旋转气膜冷却实验台为载体，通过宽幅热色液晶测温技术和碳浆加热膜获取了叶片表面的绝热壁温和换热系数，得到了不同吹风比、密度比、旋转数和雷诺数下的换热系数分布规律，深入分析了旋转附加力的作用机理；通过PIV技术，捕捉到了气膜出流后的反转肾形涡对，进一步诠释了旋转换热机理。同时，通过CFD仿真，探索了不同流动参数下叶片表面气膜与主流的掺混关系，比较了涡结构变化对气膜冷却的影响，通过涡量分布对实验现象进行了补充解释与分析，从本质上澄清了单孔气膜冷却的换热与流动机理。本项目跨越了叶轮机械、流体力学和传热学等多个学科，圆满完成了计划书的相关要求。.相关研究成果发表在Int. J. Heat Mass Transfer和Heat Mass Transfer等传热领域高水平期刊上，共发表论文6篇，其中4篇被SCI收录（1篇已接收待发表），2篇国际会议。