任慧

（92728部队，上海 200436）

为了提高航空发动机的热效率，涡轮入口温度越来越高，已远高于涡轮材料的熔点，必须对叶片进行有效冷却，才能够保证涡轮正常工作。从Wieghardt开始气膜冷却研究，为解决机翼防冻的问题，研究二维槽缝热气喷射。之后，Shuye等研究表明扇形孔射流可以明显地提高冷却效率，特别是在高吹风比时，后倾扇形孔横向扩散性更好。Heidmann和Dhungel等人在改造的新型气膜冷却结构中发现两侧辅助孔射流使主孔冷气在与主流掺混中的对旋涡对衰减，冷却效果明显增强。垂直孔辅助射流结构由于改变了冷气和燃气的掺混特性，有效扩展了冷气的展向覆盖范围，气膜冷却效率明显提高，所以，针对该结构开展气膜冷却研究具有重要的工程应用价值。

1 数值模拟

1.1 计算域和网格结构

图1为辅助孔结构计算域，包括主流通道、气膜孔和冷气腔，主流通道径向对应一个气膜孔。主流通道在y方向保证通道高度对冷气射流流动影响很小，冷腔尺寸相对于气膜孔足够大。辅助孔结构主孔间距为3D，通道入口到主孔中心的距离为10D，主孔中心到通道出口的距离为35D。

图1 辅助孔结构主视图

气膜孔内部和气膜孔出口附近生成非结构网格，其他范围生成结构网格。图2为单孔模型网格划分总网格数为150万左右。图3为添加辅助孔结构网格划分，辅助孔位于x/D=-1结构（Case1）、辅助孔位于x/D=0结构（Case2）、辅助孔位于x/D=1结构（Case3）总网格数为190万左右。

图2 单孔结构网格划分

图3 辅助孔结构网格划分

1.2 参数定义和边界条件

其中，ρc为冷气的密度，ρ∞为主流高温燃气的密度。uc为冷却气体速度，u∞为主流高温燃气的速度。T∞为主流高温燃气的温度，Taw为绝热壁面温度，TC为冷却气体温度，T为冷气与主流掺混后实际温度。

计算采用分离隐式求解器、realizable κ-ε湍流模型、增强壁面函数、SIMPLE算法，各物理量离散格式采用二阶精度迎风格式，解收敛条件为各参数残差小于10-6。

主流通道采用速度入口、压力出口，温度为330K，湍流度为2%。二次流通道入口采用速度入口，速度大小根据M算出，温度为300K，湍流度为2%。

图4为M=1.0时圆孔展向平均气膜冷却效率计算结果与实验数据对比图，二者吻合度高，表明本文所采用方法可精确模拟计算气膜冷却效率。

图4 实验与计算对比结果

2 结果分析

2.1 辅助孔位置对气膜孔下游流场和温度场的影响

图6 M=1.0涡系及无量纲过余温度分布

图7 M=1.5涡系及无量纲过余温度分布

图8 M=2.0涡系及无量纲过余温度分布

图5～8为四种不同结构在x/D=4截面处的速度矢量分布和无量纲过余温度分布。在M=0.5时，四种不同结构中主孔冷气形成的肾形涡没有太大的变化。在M=1.0、1.5、2.0时，具有垂直辅助孔的三个结构对主孔肾型涡都起到了压制作用，尺度和强度都得到了有效抑制，使得主孔射流紧贴冷却面，展向冷却范围增加，同时辅助孔射流也使冷气与主流高温气体有效隔离，减少掺混，气膜冷却效率得到有效提高。随着垂直辅助孔位置后移，无量纲过余温度在展向分布上更加均匀，但是对主孔肾型涡的压制效果减小。虽然肾型涡在尺度方面没有剧烈变化，但从无量纲过余温度分布图可以看出，随着垂直辅助孔位置后移，贴近冷却面的无量纲过余温度逐渐升高，而且低温区域也从贴近壁面的扁平状逐渐变得浑圆且远离壁面，但在这种情况下，依然好于单孔结构中无量纲过余温度分布。

图5 M=0.5涡系及无量纲过余温度分布

2.2 辅助孔位置对气膜冷却效率影响

气膜冷却效率主要从三个方面进行分析，分别是下游展向平均气膜冷却效率，下游x/D=4处展向气膜冷却效率及气膜冷却效率分布。

图9为四种不同结构下游展向平均气膜冷却效率分布。在M=1.0、1.5、2.0时，具有垂直辅助孔的三个结构比单孔结构下游展向平均气膜冷却效率有明显提高。而在M=0.5时，垂直辅助孔形成的涡对在主孔两侧，对主孔肾形涡基本没有起到压制作用，反而使主流高温气体掺混冷气量提高，导致小吹风比时单孔结构下游展向平均气膜冷却效率高于具有辅助孔的三个结构。

图9 不同结构下游展向平均气膜冷却效率

图10为四种不同结构在x/D=4处气膜冷却效率展向分布。M=0.5时，三个具有垂直辅助孔结构展向气膜冷却效率分布曲线与单孔结构相比变化更加剧烈，Case3平均气膜冷却效率最低。在较M=1.0、1.5、2.0时，具有垂直辅助孔结构展向气膜冷却效率分布曲线均在单孔结构上方，这说明具有垂直辅助孔结构在孔下游4D壁面处比单孔结构气膜冷却效率高，并且在孔中心线处气膜冷却效率明显提高。特别是，Case3结构展向气膜冷却效率分布曲线波动十分平缓，展向气膜冷却效率分布十分均匀，两侧和中心位置差别不大，在四个结构中该结构展向扩散最好。

图10 不同结构在4D处展向气膜冷却效率分布

四种不同结构气膜冷却效率分布如图11所示。在M=0.5条件下，单孔结构平均气膜冷却效率为0.29；Case1结构平均气膜冷却效率为0.29；Case2结构在平均气膜冷却效率为0.289；Case3结构平均气膜冷却效率为0.26。

图11 四种结构气膜冷却效率分布图

在M=1.0时，单孔结构在整个冷却区域平均气膜冷却效率为0.32；Case1结构平均气膜冷却效率为0.38；效率最高结构为Case2，在整个冷却区域平均气膜冷却效率为0.39，该结构较单孔结构效率提高18%；在三个具有垂直辅助孔结构中，Case3结构效率最低，平均气膜冷却效率为0.35，但其平均气膜冷却效率较单孔结构也提高了9%。

在M=1.5时，Case1结构辅助孔射流对主孔冷气压制而减小冷气在y方向上的扩散，气膜冷却效率达到0.6区域在四个结构中最大，而且随着x/D增大，气膜冷却效率衰减也比较缓慢。但在两侧靠近壁面区域，气膜冷却效率和中心位置相差悬殊，中心位置冷却效率已经超过0.6，两侧则只有0.4左右。该结构平均气膜冷却效率较高，达到0.42，与单孔结构相比提高了18.7%，气膜冷却效率提高十分明显。

在M=2.0时，四个结构中平均气膜冷却效率最高的结构是Case2结构，该结构平均气膜冷却效率为0.45，较单孔结构平均气膜冷却效率提高了20.7%，气膜冷却效率提高十分明显。

3 结语

（1）在相同条件下，与单孔结构相比，具有垂直辅助孔结构气膜冷却效率得到大幅提高。

（2）具有垂直辅助孔三个结构中对肾形涡压制效果最好的是辅助孔位于x/D=-1结构。平均气膜冷却效率最高是辅助孔位于x/D=0结构，在吹风比M=2.0时，该结构较单孔结构气膜冷却效率提高了20.7%。

（3）整个冷却面上冷却最均匀的是辅助孔位于x/D=1结构。垂直辅助孔位于x/D=1时，冷却效率随着x/D增加而造成衰减速度最缓慢，而且展向扩散也最均匀。