带横向槽的气膜冷却结构冷却性能数值研究

　　1 引言

　　气膜冷却作为一种高效的冷却方式已被广泛应用于航空发动机燃烧室和涡轮叶片的冷却上，是航空发动机热端部件的主要冷却方式。探索高效的冷却方法和技术是航空科学技术领域的一个重要研究内容。

　　近年来，对于气膜冷却结构冷却性能的研究主要包括两个方面：

　　(1)气膜孔的几何参数，比如气膜孔的喷射角度、孔径的大小、孔长与孔径比、孔的间距、孔排数、孔的排列方式、孔的出口形状等;

　　(2)气膜孔的气动参数，如主流速度、吹风比、冷流与主流的动量比、主流湍流度、气膜孔前边界层发展情况、压力梯度等。带横向槽的气膜冷却结构是一种比较新颖的冷却结构，它是在普通气膜孔的出口处开槽，改变二次流气膜孔出口的贴壁性能与扩散性能，从而提高气膜孔的平均冷却效率。带横向槽的气膜冷却结构与其他气膜冷却结构相比，具有结构简单，重量轻，耗气量少，冷却效率高，机械加工方便等特点。文献[1]采用实验的方法，验证了带横向槽的气膜孔能够很大程度地提高气膜冷却效果。为了更深入地分析该冷却结构的冷却机理和冷却性能，在吹风比分别为0.5、1.0、1.5的条件下，对比分析研究了四种不同结构的带横向槽气膜孔和圆柱形气膜孔的冷却性能，从而为该冷却结构在航空发动机领域的应用提供了技术储备。

　　2 计算模型及方法

　　带横向槽的气膜冷却结构，如图1所示，图中斜孔倾斜角为35°，槽宽与孔径比为3.5，槽深与孔径比为0.4。case1为全开槽，case2为上游开槽，case3为下游开槽，case4为下游开斜槽，case5为不开槽的圆柱形孔，用于与带横向槽的气膜孔进行对比分析。由于所研究的流场为完全发展的紊流时均气流，其直角坐标系下控制方程的通用形式为：

　　式中:—名义扩散系数;

　　ρ—流体密度;

　　U—速度;

　　x_i—坐标，S_Φ—源项，凡不能归入名义对流或扩散的项，一律并入源项S_Φ中;

　　Φ—主流速度u、v、温度T、紊流动能K、紊流耗散率ε及辐射热通量q_x、q_y。

　　式(1)可分别代表动量、能量、紊流运动以及辐射方程。若令Φ=1，=0，S_Φ=0，则上式即为质量守恒即连续方程。

　　二次流通道和主流通道进口为速度进口边界，二次流速度根据吹风比得出，主流速度设为9m/s，进口紊流度设为1%，来流温度分别为300K和335K。物理模型采用直角坐标系下的三维稳态不可压N- S雷诺时均紊流方程来加以描述，其中紊流模型采用标准k-ε紊流模型。气膜冷却效率的计算公式为：