平板气膜冷却的研究进展
平板气膜冷却的研究进展
翟丽娜
摘 要：综述了近年来平板气膜冷却技术的研究成果，介绍了气膜冷却的基本原理,总结了平板气膜冷却效率，传热系数和气膜孔流量系数的研究状况,阐述了影响气膜冷却效果的各种因素。最后进行了总结和展望，并指出气膜冷却技术与其他叶片冷却技术相结合的复合冷却，应是以后冷却技术的发展方向。
关键词：气膜冷却，冷却效率，传热系数，流量系数
0 引言
气膜冷却技术是当前对涡轮叶片进行放热保护的重要措施。通过在壁面开设槽缝或小孔引入冷却气体，使冷气在主流压力和摩擦力的作用下，粘附在壁面附近，形成温度较低的冷气膜，将壁面与高温气体隔离，并带走部分热量，从而对壁面起到良好的保护作用。考虑到涡轮叶片的强度需要，一般采用离散孔射流注入冷却气体。
冷却效率，传热系数，流量系数是衡量气膜冷却性能的重要参数，其定义分别如下：
冷却效率其中Tm是主流温度， Tf是绝热壁温，Ta是射流温度。
传热系数其中q是试件表面热流密度，tw是壁温，taw是绝热壁温。
流量系数其中m1为通过气膜孔的真实质量流量, m2为气膜孔的理想流量。
影响气膜冷却效果的因素有很多，比较重要的包括(1) 气膜孔的气动参数：主流速度、吹风比、冷气流与主流的动量比、密度比、主流湍流度等。(2) 气膜孔的几何参数：射流的入射角度、孔径大小、孔的间距和孔出口的形状等。
1 气膜孔的冷却效率
1.1气膜孔气动参数的影响
何建伟等单排圆柱孔平板气膜的数值模拟[1]得出了，孔出口速度在下游某处达到最大值，之后迅速减小直至趋于平稳。作者认为这是由于射流与主流的掺混作用以及反向漩涡对的影响。并且存在最佳吹风比,使得气膜冷却效果比较理想。
徐国强等采用热色液晶测温法,对沿流向倾角30°的圆孔排平板气膜冷却进行了实验研究[2]。结果表明，圆孔气膜冷却的冷却效果沿横向位置波动较大，在气膜孔附近，两孔之间未被冷气覆盖,容易形成冷却死区。作者认为这是由于圆孔射流比较集中，向两侧扩展比较小的原因。
雷云涛等人对单孔结构的平板气膜冷却进行了数值模拟分析[3] ，得到了不同吹风比下不同截面速度矢量图。结果表明，吹风比对旋涡下游流场的影响比较明显，由于冷却射流的卷吸作用, 在冷却孔后出现了一对旋转方向相反的肾形涡,随着吹风比的增大, 相同横截面处涡对的尺度和强度都相应地增大, 射流大部分脱离壁面与主流掺混，不断降低气膜冷却效率。
韩振兴等人采用开放式风洞系统，在不同吹风比条件对单排冷却孔下游的冷却效率分布的影响规律进行了实验研究[4], 通过数据分析，吹风比M=0.5 时，较低动量的冷却射流易贴附于壁面形成一层冷却薄膜，在孔下游附近取得良好的冷却效果，吹风比M=1.0 和M=1.5时由于较高动量的射流附着在下游较远位置，冷却效率出现了再升高现象。射流和主流之间的掺混作用以及射流出口涡对的卷吸作用对冷却效率的分布都有较大影响。M=1.0 条件下的冷却效果优于M=1.5 条件下的冷却效果。
李丽等人采用传热传质类比的方法研究主流与射流密度差和速度比对单排孔平板气膜冷却效率的影响[5]。 射流分别为密度比为1,1.5,2.0的空气和二氧化碳。结果表明,速度比较小时, 冷却效率分布由扩散控制,随吹风比增大，在纵向和横向有所增加; 中等速度比时,冷却效率分布由流动和扩散共同控制;速度比较大时, 冷却效率分布由对流控制,射流的再附点随着动量比的增大而更向下游。
Christian Saumweber研究了带有扩展型出口的气膜冷却性能[6]，对比了圆孔、扇形孔及后倾扇形孔在不同主流湍流度下的冷却效率和传热系数值,发现低吹风比时，圆孔的冷却效率随湍流度的增加而降低，高吹风比时，则稍稍提高，所有吹风比时，湍流度增加，扇形孔冷却效率下降，这是由于剪切射流与主流的强烈掺混作用的影响，但传热系数有所提高。带有扩展型出口的气膜孔流量系数要比圆柱形气膜孔的流量系数大。
1.2 气膜孔几何参数的影响
C.H.N. Yuen实验测试了平板上倾角分别是30°60°90°的圆孔的气膜冷却效率[7]。结果表明，近孔流场处，冷却效率是 30°> 60°> 90°，因为，30°圆孔的射流贴近壁面，60°圆孔的射流有一定的法向速度分量，90°圆孔的射流的法向速度分量最大，并与主流强烈掺混。孔下游区域，60°> 30°> 90°，但在下游流场较远处，30°> 60°> 90°。随吹风比增大，各圆孔的流向覆盖面积增大，但越远离孔，效率越低，最后接近平缓，因为随吹风比增大，二次流边界层加厚，不断增强的肾形涡对使得射流脱离壁面，导致冷却效率降低。
王虎等人利用湍流模型对斜圆柱孔不同角度人射气膜冷却进行了流动和传热的数值模拟[8]。结果表明, 在气动方面,减小入射角度可以使冷气的射流核心更贴近壁面, 但同时明显增大了壁面附近的气流速度, 最终的气膜冷却取决于在实际工作状态下的冷气输送能力；在传热方面, 减小入射角度使冷气射流更贴近底面而提高冷却效率, 但也使壁面附近的气流速度更高而增大了换热系数, 最终的冷却效果取决于在实际工作状态下的底面热负荷(穿过壁面的热流密度)。对于气膜冷却情况, 25°入射和45°入射在总体冷却效果上都不如35°入射。
刘捷等人比较了三种复合斜孔和单一角度孔[9] ,所有的孔都沿着主流方向倾斜30°,但复合斜孔沿着叶高方向还倾斜了30°45°或60°。他们使用了热敏液晶技术来详细测量冷却效率,发现由于复合角条件下横向速度分量的存在，所有复合斜孔射流比单一角度孔射流得到更高的冷却性能,吹风比增大, 这一影响也增强。
廖乃冰, 朱惠人对平板表面的双扇形孔排气膜冷却特性进行了研究[10]，发现双扇形孔的气膜冷却效率优于圆孔,动量比较大时,其优点更为明显。气膜冷却效率随孔节距增大而降低;孔节距为2d 时,随动量比增大而增加;孔节距为4d 时,变化不大。这是因为孔节距较大时,主流向气膜孔喷射区域的扩散能力较强,抵消了由于动量比增大的影响，综合效果使得动量比增大,冷却效率变化相对较小。在孔节距及动量比均较大时, 气膜冷却效率随主流湍流度的增大而明显下降。
戴萍,林枫对平板缩放形槽缝孔的气膜冷却进行了详细的数值计算[11],得到了在喷孔射流下游处及叶高方向上的气膜冷却效率,并研究了其孔长与孔径比L /D 对冷却效率的影响。结果表明，M> 1. 0时缩放槽缝孔沿中心线冷却效率取决于冷气对主流的阻碍和冷气膜的覆盖面积两方面。缩放槽缝形气膜孔下游的冷却效率在吹风比为1. 0时存在最佳值,缩放槽缝孔的冷却效率随着其孔长与孔径比L /D的增大而增大,当L /D > 8时,增加的幅度趋缓。这是因为L /D较小时，气膜孔的长度较短,孔出口速度分布不均匀,甚至产生“喷射”效应。
朱惠人等人在回流式传热风洞实验研究了气膜孔几何形状及吹风比对孔排下游的局部冷却效率的影响[12]。所用孔形分别是簸箕形孔、圆锥形孔，圆柱形孔。结果表明, 吹风比大于0. 7 时, 带有扩张型出口的气膜孔的冷却性能优于圆柱形孔。因为圆孔射流比较集中，穿透力较强，壁面贴附性差，降低了冷却效率。圆锥形孔、簸箕形孔,圆柱形孔的最佳吹风比分别为1. 0, 0. 7 及0. 5。
朱惠人等人比较了不同扩张角下的缩放形孔[13]，所有的孔都沿着主流方向倾斜35°,但一种孔的扩张角是11°，一种孔的扩张角是21°。他们使用了瞬态液晶技术来详细测量冷却效率和传热系数值,发现所有孔的气膜冷却效率分布沿展向方向呈“V”形,，冷却效率沿展向逐渐降低。根据作者的分析,这是由于主流和射流的相互作用形成的耦合涡引起的。但是小扩张角的射流可以很好的覆盖孔下游的区域，在跨距区域的覆盖并不好。而横向速度分量使得大扩张角的射流沿展向覆盖更多的区域。这对改善缩放形结构的气膜冷却性能很有利。
梁俊宇运用稳态液晶测温技术，对处于横向流中平板孤立圆形直孔和圆形弯曲孔下游的换热特性进行了实验研究[14]，发现弯曲冷却孔下游的冷却效率要高于直孔, 在大吹风比(M≥0.8)下具有较明显的优势。结果表明，对于直圆孔和弯曲圆孔，其下游的冷却效率均随吹风比增大而减小。随着吹风比的增加，弯孔下游冷却效率的展向扩展明显，而直孔后的冷却区域越来越狭窄，且数值上迅速减小。小吹风比时，最高冷却效率呈双驼峰型分布。
邹歆采用流热耦合的数值计算方法, 对高温平板气膜冷却进行了数值模拟[15],分析发现, 热障涂层能够有效地保护合金平板, 随着主流中加入水蒸气质量分数的提高, 气膜冷却效率不断降低，并且在射流孔附近区域, 平板内部靠近射流孔的区域在不同板厚位置处所传递的热流并不相等,导致平板内部温度沿板厚方向的分布是非线性的, 越远离射流孔, 这种效应越不明显。
2 气膜孔的传热系数
韩振兴等人采用热敏液晶技术，获取了不同吹风比下单排冷却孔下游整个温度场分布信息[4]。吹风比M=0.5时冷却孔出口附近换热系数较高，随着距离的增加换热系数逐渐下降。中线附近区域的换热效果明显高于两侧。吹风比M=1.0时，换热系数在射流孔下游附近区域明显偏高。
朱惠人等人给出了不同扩张角的缩放形气膜孔射流当地传热系数比( h/ h0 )的分布和冷却效率测量结果[13]，扩张角分别是11°和21。们有一个共同的特点：上游的传热系数比较高，而下游的传热系数比较低。这是因为射流与主流之间的相互影响产生了较大的湍流强度和速度，同时耦合涡加厚了展向的边界层，减弱孔下游处的边界层，使得展向的传热系数较低。但是小动量比时, 小扩张角射流的传热系数低于大扩张角,因为耦合涡和湍流强度在小动量比大扩张角时较强，能显著提高传热系数。
梁俊宇对处于横向流中平板孤立圆形直孔和圆形弯曲孔下游的换热特性进行了实验研究[14]，发现弯曲冷却孔下游的传热系数高于直孔，且随着吹风比的增加而增加,沿展向分布也逐渐扩展。作者认为，弯孔后的肾型涡对更加贴近壁面，其会干扰边界层，强化动量质量交换，同时增强边界层的湍流度，最终增强了当地换热系数。但吹风比对换热系数的影响较小。
陆犇对不带肋和带肋气膜冷却平板的三维传热问题进行了数值模拟[16]，获得了他们的流场分布和平板内外表面的换热系数值，结果表明带肋的气膜冷却平板通道流场结构比较复杂, 具有很强的三维流动结构。平板表面平均温度较无肋气膜冷却平板表面平均温度下降, 而在近气膜孔区域冷、热表面平均换热系数较无肋时增大。这是因为肋的存在, 使得冷空气的流动扰动增大,换热增强
谢浩对三种不同结构的多斜孔气膜冷却传热特性进行了数值模拟[17]，多斜孔均为叉排结构, 斜孔与平板表面夹角均为30°。结果显示，正菱形叉排孔阵, 随着相邻孔间距与孔径比的减小(即气膜孔布置的越密), 气膜冷却效率η增大, 同时提高η的均匀性, 热侧壁面平均换热系数也随之增大, 且增加的幅度较大。
Michael Gritsch等对圆孔，扇形孔，后倾扇形孔的气膜冷却性能进行了实验比较，给出了气膜孔下游的当地传热系数比（h/h0）的分布和了冷却效率的测量结果[18]。与圆孔对比，由于扇形孔出口横截面积的增加，降低了射流出口动量，同时又加厚了近壁边界层，扇形孔的传热系数比值较低，存在最佳吹风比为1.5。后倾扇形孔的射流比其他孔的横向扩展要好。射流马赫数能提高射流的湍流度，提高展向覆盖面积，从而提高传热系数。
3 气膜孔的流量系数
在工程中，人们总是希望用尽可能少的冷气量来达到最佳的冷却效果，要想确定每排气膜孔的实际流量，就必须测量单排孔的流量系数。
朱惠人等人研究了缩放形槽孔不同扩张角对流量系数的影响[13] ，发现流量系数随射流的雷诺数增加而增加。缩放形槽孔具有很好的流阻特性。相同的动量比下, 缩放形槽孔由于具有较大的出口面积，因此具有较大的孔流量系数。
朱惠人等人实验研究了簸箕形孔、圆锥形孔、圆柱形孔的二次流雷诺数及吹风比对流量系数的影响[19]。得出的结论是，吹风比相同时，雷诺数对流量系数影响不大。雷诺数相同时，种孔形的流量系数受吹风比的影响都很大, 并随吹风比的增大而增大, 圆锥形孔的流量系数最大, 圆孔的最小。因为扩张形孔可以增大其出流面积, 削弱由主流引起的堵塞效应, 使流量系数增大。
李广超等在回流风洞中实验测量了不同前倾角，不同孔间距下的双向扩张气膜孔的平均流量系数[20]。结果显示，流量系数随着前倾角α的增加而增加，在不同的径向角下，增加幅度不同。前倾角较小时，由于射流的法向速度分量较小，形成的旋涡较弱，且相互独立，受孔间距的影响较小，所以，此时流量系数随孔间距的变化较小。α = 90°时，流量系数随孔间距的增加而增加，这是由于α= 90°，射流的法向速度最高，形成的出口漩涡最强，孔间距较小时，相邻气膜孔间的漩涡相互作用非常强烈，导致出口流动损失较大，所以，流量系数随着孔间距的增加而增加。
4 结论与展望
由于气膜冷却的各种参数对冷却效果的影响，使得气膜冷却流场变得复杂。本文介绍了吹风比，气膜孔的形状，孔间距，出射角等参数对气膜冷却性能的影响。通过分析,今后气膜冷却特性的研究应侧重于以下几个方面:
1）由于气膜冷却流场的复杂性，各种计算模型都有一定的假设条件，与实际存在一定的误差，所以需要找出一种新的模型能精确的模拟气膜冷却流场。
2) 研究新的孔形结构,例如月牙孔、开槽孔, 缩放槽缝孔等,掌握新型气膜孔各几何、工作参数对气膜冷却的影响,深入研究新型孔提高气膜冷却效果的机理。或是对以往的孔型结构进行变化，如在波纹表面开多个气膜孔，在气膜孔上游设置斜坡，在圆形气膜孔上加装肋片[21、22]等。
3)为了优化冷却效果,可以将气膜冷却技术与其它涡轮叶片冷却技术相结合的复合冷却。例如将叶片气膜冷却与内流冷却技术相结合[23]。
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