平板单孔气膜冷却流动特性的实验研究

张笑雷，吕骋予

（上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200093）

0 引言

气膜冷却的总体效果受到多方面因素的影响，其本身的传热机理十分复杂。国内外许多学者对于气膜冷却已经做出了大量的研究工作［1］，但随着气膜冷却技术的不断发展，由于气动现象的复杂性，很多研究要通过大量实验找出规律，近几年国内外学者利用风洞进行了大量的实验［2－3］，并且结合模拟理论［4－5］来进行分析研究。Bons［6］等人研究了主流湍流度对于气膜冷却的影响，发现在湍流度高时，传热系数的变化没有冷却效率的变化明显。本文采用先进的热线风速仪测量系统，对平板气膜冷却流场进行实验研究。分析了在不同吹风比下、不同截面处速度和湍流度的变化，总结了风洞中的平板气膜冷却实验中流场的变化规律，为更好地了解气膜冷却的气动特性和冷却特性奠定基础。

1 实验测量方法及数据采集

本实验在直流吸入式低速风洞试验台［7］上进行，试验段为225mm×225mm的方管。测量气膜冷却的流场速度和湍流度采用IFA300恒温热线风速仪测量系统，这套设备带有热探针校准器和精密压力传感器。本实验采用TIS-1210-20热膜单丝探针，探针用固定杆安装在坐标架上，用坐标架来定位探针的位置。

本实验中以气膜孔的中心为零点，并以平板面作为测量平面，设d为气膜孔直径，x/d和y/d表示气膜孔下游位置距离气膜孔中心水平和垂直方向的无量纲长度。取x/d＝1、x/d＝2、x/d＝5和x/d＝10位置处的截面作为测量截面，沿垂直方向取若干测量点，测点之间间距为1mm，水平方向上混合气体的速度为u0，湍流度为TI（湍流度是指某一点的脉动速度与平均速度的比值，是反映脉动风速的相对强度、用来描述大气湍流运动特性的重要特征量）。图1为平板模型测点布置图。

图1 平板模型测点布置图

本实验中的冷却流体由空压机提供，使用质量流量计控制射流流量。实验平板中的气膜孔倾斜角为30°，直径为20mm，长径比l/d＝4。测点数据由IFA300恒温热线风速仪测量采集，靠近壁面的测点距离壁面为1mm。设定采集频率为100kHz，采样时间为20s，主流与冷却气体的密度相同，所以定义吹风比M为：

其中：uc为冷却气体的速度；u0为主流气体的速度。

定义主流气体的雷诺数Re0、冷却气体的雷诺数Rec和冷却气体的质量流量Qc分别为：

其中：D为实验段入口处的当量直径；v为空气动力黏滞系数。本实验工况设定为M＝0.5、M＝1.0、M＝1.5、M＝2.0。已知主流气体速度时，根据式（1）得出冷却气体的速度，再由式（4）得出冷却气体的质量流量，再通过质量流量计来控制冷却气体流量来达到符合吹风比的实验工况。

2 实验数据整理与分析

2.1 速度u0的分布特点

通过调节风洞的风机，使主流气体速度稳定在8 m/s，测出主流的雷诺数为1 184 210，再调整冷却流体的质量流量来调整吹风比，测出x/d＝1、x/d＝2、x/d＝5、x/d＝10位置处截面的速度分布，见图2。

图2 不同实验工况下速度u0沿垂直方向的分布

由图2可以发现，在不同的吹风比下，速度u0的变化趋势都是沿着垂直方向逐渐增大，达到峰值后再逐渐减小最后变稳定。这是由于冷却空气从气膜孔射入主流后，在主流的扰动作用下发生了弯曲，并在弯曲处产生了切向速度，所以冷却空气对主流的影响主要产生在弯曲处到与主流平行的这段区域内。图2中显示的最大速度点大于主流速度的原因是冷却空气的速度与主流速度在水平方向产生了速度叠加。当吹风比相同时，随着x/d的增大，速度u0的最大值也在逐渐远离平板；当x/d相同时，随着吹风比M的增大，速度u0的稳定值也在逐渐远离平板且最大速度逐渐增大。产生这一现象是由于吹风比增大所以冷却空气从气膜孔出来的动能增大，从而使冷却气流的刚性增强，不易弯曲。

由图2可见，吹风比M在0.5～1.0时，靠近气膜孔处冷却流体速度在主流的作用下变化明显，随着x/d的增大变化逐渐减弱。当吹风比M为1.5和2.0时，冷却流体从气膜孔出来时对主流的影响明显，随着x/d的增大，冷却流体与主流之间的扰动影响仍然较大；并且相同位置处M＝2.0时的气膜厚度最大，而且气膜厚度随着x/d的增大而增大。但是在高吹风比下，在冷却气流与主流更为剧烈的扰动掺混的作用下，在气膜孔中心线两侧产生一对反向旋转的肾形漩涡，它们对主流产生卷吸作用把主流卷吸到冷却气体的下方，影响了冷却效率，使得气膜冷却效果恶化。而且吹风比增大时，冷却气流的初始动能增大，使得形成的肾形涡旋的尺寸与强度也相应增大。

2.2 沿平板流动方向的速度矢量分析

速度矢量是分析流场结构域速度场分布的重要物理量，图3为吹风比M分别为0.5、1.0、1.5和2.0时单孔平板实验模型沿着与平板垂直的中心线的速度u0的矢量分布。从图3可以看出，随着吹风比M的增大，贴近气膜孔附近的速度梯度变化较大，冷却气体逐渐远离平板并且速度最大值的垂直位置也在逐渐升高，M＝0.5时的速度u0变化没有M＝1.5和M＝2.0时明显。当吹风比M＝0.5时，在气膜孔下游x/d＝5处沿垂直方向的速度分布均匀，变化不大。但当M＝2.0时，相同位置的速度矢量依然高过主流速度，冷却气体依然对主流气体有加速的作用。

图3 沿平板流动方向不同吹风比下的速度矢量分布

产生上述问题的主要原因是：随着吹风比M的增大，在气膜孔下游产生的一对反向肾形涡旋的尺寸与强度增大，并且高吹风比导致涡旋中心被抬高，使得冷却气体被吹离平板平面，主流气体由于吸卷作用被吹到了冷却气流下方，与壁面直接接触，从而严重影响了冷却效果。而反观吹风比M较小时，冷却气体的动能较小，所以相对于主流的穿透能力较弱，从而能更好地贴附在平板表面，有更好的冷却效果。

2.3 湍流度分布的特点分析

湍流度对于流场特性与气膜冷却效率有着不可忽视的作用，所以更好地了解湍流中的各种尺寸结构特性，能优化气膜冷却的流场结构，从而有效地提高冷却效率。

图4体现出了在不同的吹风比下湍流度TI沿垂直方向的分布特点。实验结果表明，相同的吹风比下靠近平板位置处的湍流度最大，并且湍流度沿着垂直方向（y/d）逐渐减小，之后又增大产生了一个峰值然后再渐渐减小，并且这个峰值沿着主流方向逐渐抬高远离平板，靠近平板壁面的湍流度和这个峰值也沿着主流的方向逐渐减小。随着吹风比M的增大，冷却气体的初始动能与初始速度增大，沿主流方向上同一位置处的湍流度TI增大，而且湍流度的峰值也在渐渐远离平板。对比图2的速度u0可以发现，主流与冷却气体之间的流动类似于圆柱扰流流动，主流由于冷却流体从气膜孔喷出形成的阻隔气膜而形成绕流流动，而冷却流体则发生弯曲贴附在平板上形成气膜。在气膜的表面是主流与冷却气体间发生互相扰动与换热最剧烈的地方，所以在离开平板的位置出现了湍流度的另一峰值。当冷却气体穿透主流后不仅速度迅速降低而且流动方向也慢慢与主流保持平行，此时湍流度迅速减小，最后当冷却气体的流动方向与主流方向相同时，冷却气体不再对主流产生影响，此时流场内流动稳定。而当吹风比M＝1.0时，湍流度明显增大，但沿着主流方向的湍流度变化比较平缓，数值上没有明显的变化，这说明在气膜形成的区域，主流与冷却气体之间的互相作用比较稳定，气膜能很好地贴附在平板上，产生更好的冷却效率。当吹风比M＞1.5时，在冷却流体弯曲段的下方，湍流度发生震荡，各个测点所测的湍流度不能很好地区分与反映当时流场，这是由于当吹风比较大时，冷却气体的湍动程度高，所以冷却气体与主流在气膜孔附近掺混剧烈，使得冷却气体对气膜孔较远下游处依然有较大影响，导致该测点的湍流度发生震荡。吹风比M＝2.0时，由图4可知此时形成的气膜厚度是4个工况中最厚的，但气膜的覆盖面积与效果却是4个工况中最差的。M＝2.0时沿主流方向上的湍流度有着较多的明显凸起，说明此时冷却气体与主流之间的掺混扰动程度较高，不利于冷却气膜的形成与发展，降低了冷却效率。

所以当吹风比M较小时，冷却气体的出口动能相对较小，所以在主流的作用下能更加容易地贴附在平板壁面上。但随着湍流度的增大，主流中的扰动会增大来破坏动能较小的冷却气体，导致冷却气体所形成的气膜覆盖尺寸变小。当湍流度TI较大时，不仅冷却气体的结构不能完全发展，而且在湍流度较高的位置处主流与冷却气体会发生剧烈的掺混作用，使传热系数提高，从而使得冷却壁面的温度提高，降低了气膜对于平板壁面的冷却保护作用与冷却效率。

3 结论

沿气膜孔下游主流方向上的速度矢量u0分布呈中心低边缘高的情况，这是由于主流对冷却气体的弯折作用较强造成的；当吹风比M较小时，冷却气体动能较小，能更好地粘附在平板冷却壁面上，形成较好尺寸的冷却气膜；当吹风比M增大时，冷却气体动能增大，对主流产生卷吸作用，在气膜孔下方形成尺寸与强度较大的肾形涡，使得冷却气体被抬离冷却壁面，降低了冷却效果；当吹风比M＝1.0时，湍流度的变化比较平缓，气膜能较好地贴附在冷却平板上，提高冷却效率。

图4 不同实验工况下湍流度TI沿垂直方向的分布

［1］戴萍，林枫.气膜孔几何结构对涡轮叶片气膜冷却影响的研究进展［J］.热能动力工程，2009，24（4）：416-420.

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