扇形气膜孔冷却效率的数值模拟
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在气膜孔几何形状设计方面,G o ldste in 等人m可能是最先关注不同气膜孔形状导致的冷却特性差异，随 后人们研究了多种扩张气膜孔结构。W ittig 等人' T h o le 等人Pl、G ritSc h 等人W先后比较了圆柱形、出口横向扩 张 、横向向前扩张孔的冷却特性。张玲等人[3研究了气膜孔轴向倾角和展向倾角对端壁冷却效率的影响。在 众多气膜孔结构中，扇形扩张气膜孔结构的气膜覆盖面积较大，因而受到广泛的关注和研究[&"\笔 者 此 前 的 研究中也比较了三种扇形气膜孔结构的冷却特性™。为清晰的显示扇形气膜孔的气膜覆盖范围，对绝热壁面 假设下的气膜冷却效率进行了数值模拟，结果表明，冷却流在气膜孔下游逐渐分叉成两股，导致覆盖面积变 小 ，气膜孔下游不能被很好地冷却。
第 36卷第2 期 2019年 6 月
苏 州 科 技 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ）
Journal of Suzhou University of Science and Technology (Natural Science)
doi ：10.12084/jassn.2096-3289.2019.02.012
量表示成如下形式
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⑴
^ f 1 + i ^ [Ui{pE+p )]=i ^ l (k+^ r
构气膜孔的冷却效率。
关键词 ：气膜孔;冷却效率;吹风比;数值模拟;扇形孔
中图分类号：TK124
文 献 标 志 码 ：A
文 章 编 号 ：2096-3289(2019)02-0061-05
为 了 提 高 战 斗 机 的 性 能 ，战 斗 机 不 断 地 向 大 推 力 、高 速 度 、高 机 动 性 能 的 方 向 发 展 。 因 此 ,燃气透平的进 口温度需要不断上升。目前，先进透平燃气进口温度已经远远超过现有透平材料的熔点。为了保证透平高温 部 件 的 安 全 运 行 及 合 理 寿 命 ,现 有 航 空 发 动 机 端 壁 中 广 泛 采 用 了 气 膜 冷 却 技 术 。气 膜 冷 却 特 性 的 控 制 受 到 很 多 因 素 的 影 响 ，例 如 气 膜 孔 的 几 何 参 数 、叶 片 的 几 何 参 数 、孔 的 气 动 参 数 等 。
Vol.36 No.2 Jun. 2019
扇形气膜孔冷却效率的数值模拟
王 晓 春 ，李 娟
(苏州科技大学环境科学与工程学院，江 苏 苏 州 215009)
摘 要 ：为了改进气膜孔结构，提高航空发动机涡轮叶片表面气膜冷却效率，采用 商 业 软 件ANSYSCFX,对扇形圆
角扩张气膜孔的气膜冷却效率进行了数值模拟研究。根据绝热壁面假设下的温度分布云图可以发现,冷气在气膜孔
的出口区域分叉成两股，冷气分叉使最期望被冷却的孔中心的下游区域没有得到充分冷却。随后又根据流固耦合条
件下的模拟结果,提出了定量描述气膜冷却的气膜冷却效率随位置和毕渥数的拟合公式。现有文献关于气膜冷却的
研究往往采用冷却效率云图，而采用数学公式定量描述冷却效率的方法不仅更加简洁,而且更便于定量比较不同结
采用商业软件A N S Y S C F X 14.0对该方程进行数值计算。选 择 R N G k -s 揣流模型。该软件计算时利用 有限容积法，模拟区域划分和尺寸介绍如图2 所 示 。计算网格利用商业软件ANSYS ICEM 14.0生成。气膜孔 采用 六 面 体 0 型网格，其他区域采用普通六面体网格。对壁面附近网格加密，使边界层部分第一层网格的y + 值 全 部 小 于 1。通过对网格加密来验证无关性，加密前后，气膜孔附近的平均温度偏差小于3 % ，由此认为加 密后的网格已经符合要求，作为后面模拟研究中采用的网格。
在 气 膜 孔 的 冷 却 效 率 研 究 中 ，广 泛 采 用 实 验 获 得 表 面 冷 却 效 率 云 图 。例 如 :翟 颖 妮 等 人 [9]采 用 热 色 液 晶 技术测量了倾斜角圆柱孔、水滴孔以及曲面簸箕孔的气膜冷却特性;常艳等人[1°]利用红外热像测温技术研究 了带有突片结构的气膜孔的气膜冷却特性;李广超等人[11]也利用红外技术测量了双出口气膜孔的冷却效率。 随着计算机性能的提升，数值模拟方法因其经济且高效的特性在众多领域得到广泛应用[12_13]。笔者通过数值 模 拟 的 方 法 获 得 了 气 膜 孔 表 面 冷 却 效 率 云 图 ，并 以 此 为 基 础 ，尝 试 通 过 定 量 的 方 式 来 描 述 冷 却 效 率 ,并 提 出 了精度较高的拟合公式，用公式定量描述冷却效率的方法更便于定量比较不同结构气膜孔的冷却效率。
1 研究模型及方法
1 . 1 气膜孔结构 图 1 展示了数值模拟所采用扇形气膜孔结构。该气膜孔由纯圆柱进口和侧向扩张出口两部分组成。纯
圆 柱 部 分 的 特 征 直 径 为 0.6 m m ,圆柱轴线与气膜孔出口平面的夹角为30°，侧向扩张角为14°。
[收稿日期]2018-03-16
[基金项目]江苏省自然科学基金青年基金资助项目（BK20170382);苏州市科技发展计划项目（SNG2018045)
[作者简介]王晓春（1987-),男 ，安徽滁州人，讲 师 ，博 士 ，研究方向：航空发动机叶片流动及换热的实验和数值模拟。
62
苏 州 科 技 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 )
2019 年
(a )外形轮廓
（b )几何尺寸
图 1 扇形气膜孔几何结构
1 . 2 气膜冷却的数值模型
数值模拟的研究区域如图2 所示。图 2 (a )显示了固壁绝热条件下的研究区域: 主流域、冷却流域和气膜 孔 。图 2 (b )展示了流固耦合条件下的模拟区域，比图2 (a )多了固体壁面域。图 2 (c )给出模拟区域的几何尺 寸 。研究区域的稳态流动和换热模型可以用可压缩雷诺时均的NaVier-St〇kes(RNS)方程求解。该方程可用张
第 36卷第2 期 2019年 6 月
苏 州 科 技 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ）
Journal of Suzhou University of Science and Technology (Natural Science)
doi ：10.12084/jassn.2096-3289.2019.02.012
量表示成如下形式
ddpt |d{dP%Uij ) =Q
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构气膜孔的冷却效率。
关键词 ：气膜孔;冷却效率;吹风比;数值模拟;扇形孔
中图分类号：TK124
文 献 标 志 码 ：A
文 章 编 号 ：2096-3289(2019)02-0061-05
为 了 提 高 战 斗 机 的 性 能 ，战 斗 机 不 断 地 向 大 推 力 、高 速 度 、高 机 动 性 能 的 方 向 发 展 。 因 此 ,燃气透平的进 口温度需要不断上升。目前，先进透平燃气进口温度已经远远超过现有透平材料的熔点。为了保证透平高温 部 件 的 安 全 运 行 及 合 理 寿 命 ,现 有 航 空 发 动 机 端 壁 中 广 泛 采 用 了 气 膜 冷 却 技 术 。气 膜 冷 却 特 性 的 控 制 受 到 很 多 因 素 的 影 响 ，例 如 气 膜 孔 的 几 何 参 数 、叶 片 的 几 何 参 数 、孔 的 气 动 参 数 等 。
Vol.36 No.2 Jun. 2019
扇形气膜孔冷却效率的数值模拟
王 晓 春 ，李 娟
(苏州科技大学环境科学与工程学院，江 苏 苏 州 215009)
摘 要 ：为了改进气膜孔结构，提高航空发动机涡轮叶片表面气膜冷却效率，采用 商 业 软 件ANSYSCFX,对扇形圆
角扩张气膜孔的气膜冷却效率进行了数值模拟研究。根据绝热壁面假设下的温度分布云图可以发现,冷气在气膜孔
的出口区域分叉成两股，冷气分叉使最期望被冷却的孔中心的下游区域没有得到充分冷却。随后又根据流固耦合条
件下的模拟结果,提出了定量描述气膜冷却的气膜冷却效率随位置和毕渥数的拟合公式。现有文献关于气膜冷却的
研究往往采用冷却效率云图，而采用数学公式定量描述冷却效率的方法不仅更加简洁,而且更便于定量比较不同结
采用商业软件A N S Y S C F X 14.0对该方程进行数值计算。选 择 R N G k -s 揣流模型。该软件计算时利用 有限容积法，模拟区域划分和尺寸介绍如图2 所 示 。计算网格利用商业软件ANSYS ICEM 14.0生成。气膜孔 采用 六 面 体 0 型网格，其他区域采用普通六面体网格。对壁面附近网格加密，使边界层部分第一层网格的y + 值 全 部 小 于 1。通过对网格加密来验证无关性，加密前后，气膜孔附近的平均温度偏差小于3 % ，由此认为加 密后的网格已经符合要求，作为后面模拟研究中采用的网格。
在 气 膜 孔 的 冷 却 效 率 研 究 中 ，广 泛 采 用 实 验 获 得 表 面 冷 却 效 率 云 图 。例 如 :翟 颖 妮 等 人 [9]采 用 热 色 液 晶 技术测量了倾斜角圆柱孔、水滴孔以及曲面簸箕孔的气膜冷却特性;常艳等人[1°]利用红外热像测温技术研究 了带有突片结构的气膜孔的气膜冷却特性;李广超等人[11]也利用红外技术测量了双出口气膜孔的冷却效率。 随着计算机性能的提升，数值模拟方法因其经济且高效的特性在众多领域得到广泛应用[12_13]。笔者通过数值 模 拟 的 方 法 获 得 了 气 膜 孔 表 面 冷 却 效 率 云 图 ，并 以 此 为 基 础 ，尝 试 通 过 定 量 的 方 式 来 描 述 冷 却 效 率 ,并 提 出 了精度较高的拟合公式，用公式定量描述冷却效率的方法更便于定量比较不同结构气膜孔的冷却效率。
1 研究模型及方法
1 . 1 气膜孔结构 图 1 展示了数值模拟所采用扇形气膜孔结构。该气膜孔由纯圆柱进口和侧向扩张出口两部分组成。纯
圆 柱 部 分 的 特 征 直 径 为 0.6 m m ,圆柱轴线与气膜孔出口平面的夹角为30°，侧向扩张角为14°。
[收稿日期]2018-03-16
[基金项目]江苏省自然科学基金青年基金资助项目（BK20170382);苏州市科技发展计划项目（SNG2018045)
[作者简介]王晓春（1987-),男 ，安徽滁州人，讲 师 ，博 士 ，研究方向：航空发动机叶片流动及换热的实验和数值模拟。
62
苏 州 科 技 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 )
2019 年
(a )外形轮廓
（b )几何尺寸
图 1 扇形气膜孔几何结构
1 . 2 气膜冷却的数值模型
数值模拟的研究区域如图2 所示。图 2 (a )显示了固壁绝热条件下的研究区域: 主流域、冷却流域和气膜 孔 。图 2 (b )展示了流固耦合条件下的模拟区域，比图2 (a )多了固体壁面域。图 2 (c )给出模拟区域的几何尺 寸 。研究区域的稳态流动和换热模型可以用可压缩雷诺时均的NaVier-St〇kes(RNS)方程求解。该方程可用张