顆粒在平板氣膜冷卻壁面沉積機(jī)理研究

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1、學(xué)校代碼10699分類號V231.1密級學(xué)號2012100513題目顆粒在平板氣膜冷卻壁面沉積機(jī)理研究作者趙靜宇學(xué)科、專業(yè)航空宇航科學(xué)與技術(shù)指導(dǎo)教師劉振俠教授申請學(xué)位日期2017年11月西北工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文（學(xué)位研究生）題目：顆粒在平板氣膜冷卻壁面沉積機(jī)理研究作者：趙靜宇學(xué)科專業(yè)：航空宇航科學(xué)與技術(shù)指導(dǎo)教師：劉振俠教授2017年11月InvestigationsofparticledepositionmechanismontheflatplatewallwithfilmcoolingholesADissertationS

2、ubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofEngineeringbyZhaoJing-yuSupervisor:Prof.LiuZhen-xiaAeronauticalandAstronauticalScienceandTechnologyXi’anP.R.ChinaNovember2017摘要摘要航空發(fā)動機(jī)在沙塵及飛灰等環(huán)境中工作時，顆粒物會在遍布?xì)饽た椎臏u輪葉

3、片壁面沉積，并逐漸形成一定的沉積形貌。顆粒的沉積不僅會影響渦輪葉片的氣動效率亦會改變其傳熱性能，更有甚者，沉積物堵塞氣膜孔，直接影響渦輪葉片的使用壽命。考慮到氣膜冷卻仍然是現(xiàn)階段渦輪葉片上應(yīng)用最普遍、也是最重要的冷卻方式，因此，本文開展的顆粒在氣膜冷卻壁面沉積機(jī)理研究，對于規(guī)避渦輪葉片壁面的顆粒沉積、提高復(fù)雜顆粒環(huán)境下渦輪葉片的使用壽命及航空發(fā)動機(jī)的生存能力等具有重要的意義。本文首先從顆粒的穩(wěn)態(tài)沉積研究入手，以近壁區(qū)流場處理、顆粒/壁面相互作用及顆粒受力等為建模重點，基于歐拉-拉格朗日體系構(gòu)建了適用于稀疏兩相流的穩(wěn)態(tài)沉積分析

4、方法，主要包括顆粒運動模型及顆粒-空氣單向耦合計算方法；在計算方法驗證的基礎(chǔ)上，對顆粒在高溫平板氣膜冷卻壁面的穩(wěn)態(tài)沉積機(jī)理進(jìn)行計算研究，分析工況條件及氣膜結(jié)構(gòu)等因素對顆粒沉積率的影響，并初步揭示了顆粒在氣膜冷卻壁面的沉積機(jī)理。然后，考慮到沙粒在渦輪環(huán)境下非穩(wěn)態(tài)沉積現(xiàn)象的復(fù)雜性，論文在總結(jié)顆粒沉積特點的基礎(chǔ)上，通過相似和?；芯?，將實際發(fā)動機(jī)渦輪環(huán)境下工況參數(shù)與低溫氣膜冷卻平板研究模型結(jié)合起來，設(shè)計了結(jié)構(gòu)相對簡單的低溫研究模型及實驗平臺；在權(quán)衡計算效率、抓住重點的基礎(chǔ)上，基于歐拉-歐拉法建立了一套完整的顆粒在氣膜冷卻壁面非穩(wěn)態(tài)

5、沉積分析方法，主要包括離散多相流模型及非穩(wěn)態(tài)液固膜計算模型，并驗證了計算方法的可靠性。最后，本文對顆粒在低溫平板氣膜冷卻壁面非穩(wěn)態(tài)沉積機(jī)理計算研究，一方面研究了氣膜孔附近兩相流場結(jié)構(gòu)及顆粒非穩(wěn)態(tài)沉積的演化過程，另一方面對影響顆粒沉積的無量綱因素進(jìn)行探究，主要包括主流雷諾數(shù)、顆粒相濃度、顆粒斯托克斯數(shù)、吹風(fēng)比及平板攻角等工況因素和氣膜孔入射角度、展向間距、開槽深度及氣膜孔的排布等氣膜結(jié)構(gòu)因素，揭示了顆粒在氣膜冷卻壁面沉積分布機(jī)理。論文的主要結(jié)論如下：(1)通過顆粒在近壁區(qū)的受力計算，表明拖曳力的大小對顆粒直徑和主流平均速度較為

6、敏感，Saffman力對主流平均速度較為敏感，而熱泳力則對顆粒直徑和環(huán)境溫度較為敏感；在不同工況條件下，各力對顆粒沉積的影響與受力分析一致，此外，通過顆粒受力量級比較，認(rèn)為在使用歐拉-拉格朗日方法進(jìn)行計算研究時，拖曳力和Saffman力不可忽略，而熱泳力則視工況條件進(jìn)行取舍。(2)對高溫平板氣膜冷卻壁面顆粒沉積機(jī)理進(jìn)行研究，認(rèn)為射流的貼壁性、展向流場的均勻性、渦的擾動強(qiáng)度等是影響顆粒在壁面的沉積的主要原因，且射流貼壁性越好，渦的擾動強(qiáng)度越小，展向流場均勻性越好，越不利于顆粒沉積；此外，吹風(fēng)比的變化主要改變渦的擾動強(qiáng)度，氣膜孔

7、入射角度和開槽主要改變射流的貼壁性，多排孔的順叉排I西北工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文布主要改變展向流場的均勻性。(3)對低溫平板氣膜孔附近兩相流場分布及顆粒沉積非穩(wěn)態(tài)特性的計算研究表明：由于顆粒慣性及空氣對顆粒相的拖曳作用，顆粒相在氣膜冷卻平板附近會出現(xiàn)近壁高濃度帶及局部低濃度區(qū)，同時，冷氣流的射入會直接影響氣膜孔下游顆粒相分布；在600s的沉積模擬過程中，相同位置處顆粒沉積厚度隨時間的增加均是增大的；因顆粒速度與壁面切向夾角的差異，前緣處沉積厚度量級至少比氣膜孔附近壁面大一倍，且前緣處沉積形貌隨時間的變化會在一定程度上改變平板附近

8、流場及氣膜冷卻效率。(4)無量綱工況因素對顆粒沉積影響的計算研究表明：主流雷諾數(shù)、顆粒相濃度及平板攻角三因素主要是從量的累積的角度改變沉積形貌，顆粒沉積形貌的變化趨勢基本相似；顆粒斯托克斯數(shù)和吹風(fēng)比則分別通過改變顆粒慣性及射流動量來影響顆粒沉積的趨勢，沉積形貌不再具有相似性，分析認(rèn)為顆粒沉