不同横向距离下双射流孔流动与冷却特性实验研究
姚家旭， 雷 蒋
【摘 要】通过实验方式，在平板上对不同孔间横向距离(p/d=0，0.5，1.0，1.5，2.0)下的双射流气膜冷却结构进行了研究。使用七孔探针测量了孔下游不同截面处的时均流场，使用压力敏感漆(PSP)测量了平板表面的气膜冷却效率。孔间流向距离(s/d)为3.0。吹风比(M)为0.5，1.0，1.5，2.0，射流-主流密度比为1.0。研究了孔间横向距离对双射流间相互作用，及其流动和冷却特性的影响。结果表明，p/d=0时，孔间相互作用体现为压附效应，下游射流被上游射流压向壁面并保持贴附，气膜冷却效率对吹风比不敏感。p/d=0.5与1.0时，反肾形涡效应主导，两股射流均被压向壁面，气膜覆盖较好，冷却效率较高。p/d≥1.5时，压附效应基本消失，反肾形涡效应减弱，射流间距增加，气膜覆盖变差。
【期刊名称】火箭推进 【年(卷),期】2018(044)001 【总页数】8
【关键词】气膜冷却；双射流；压力敏感漆
0 引言
气膜冷却被广泛运用于航天航空推进领域，是冷却发动机燃烧室、以及航空发动机涡轮叶片的重要方式之一。冷却气体通过布置于待冷却表面的小孔喷出，在表面形成保护层，以阻隔由高温燃气传来的热量，确保发动机安全正常地运行。
在用于气膜冷却的孔型之中，流向圆孔是最为常见的一种，其加工维护较为简
单。在平板上对流向圆孔(倾斜角θ≈30°)的研究发现，在吹风比(射流-主流质量通量比，M)小于0.5时，这一结构的气膜冷却效率随吹风比增加而提高；但是在M>0.5时，由于射流发生吹离，不能有效覆盖壁面，气膜冷却效率迅速降低[1]。除圆孔外，扇形孔也是常见于气膜冷却的一种结构，这一孔型在出口处具有一定的横向扩张，因此降低了冷却射流在孔出口处的动量，以抑制射流吹离；与圆孔相比，其能够提供更好的冷却效果，这一优势在大吹风比下尤为明显[2-3]。但扇形孔的加工维护较为困难。2007年，Kusterer等提出了双射流气膜冷却(Double-Jet Film-Cooling，DJFC)结构[4]，采用一对交错布置、轴线方向与主流不平行的复合角圆孔，利用射流间的相互作用，在其下游产生一对反肾形涡，将冷却射流压向壁面抑制其吹离。一些研究者在不同的实验工况或布置参数下对这一结构进行了研究[5-9]，结果表明，与流向扇形孔相比，双射流孔具有较高的气膜冷却效率，尤其在大吹风比工况下；同时由于其轮廓为圆柱形，因此加工维护较为简单。但截止目前，针对双射流结构流场的实验研究相对较少，且横向距离对其相互作用，以及流场和气膜冷却效率的影响尚未得到较多的研究。
本文在不同的吹风比下，对不同孔间横向距离的双射流结构进行了研究，测量了其时均流场与气膜冷却效率，讨论了横向距离对其射流间相互作用的影响，以期对这一冷却结构提供更为细致的了解。
1 实验设备与方法
1.1 实验设备
实验在一低速直流风洞内进行，实验系统如图1所示。风洞实验段横截面尺寸为500 mm×202 mm，采用皮托管测得主流流速为20 m/s，采用热线风速仪
测得湍流度为0.6%。实验中，冷却射流分别由空气压缩机和高压N2两路气源进行供气，并分别使用冷干机与加热器保证其与主流间的温度差不超过1℃。冷却射流的流量由转子流量计控制。供气腔尺寸为402mm×270mm×105mm，可保证供气均匀。图2给出了本文所研究的双射流孔结构与坐标系，表1中给出了其几何参数。
本文分别在4个吹风比(M=0.5，1.0，1.5，2.0)下进行实验，其定义如下： (1)
式中：ρ∞与U∞分别为主流的密度与速度；ρc与Uc分别为射流的密度与其在孔入口处的速度。 1.2 实验方法 1.2.1 流场测量
采用七孔探针，在3个不同流向截面处(X/d=-2.0，1.0，5.0)，测量双射流孔下游时均流场，测量点间距为0.5 mm，实验时冷却射流为空气。七孔探针固定于坐标架上，由风洞出口处伸入实验段，以尽可能减小对流场的干扰。由测得的压力值算得三个方向上的速度分量，所有结果(主流方向速度u，二次流截面速度v-w)和涡量(Ω)均作无量纲化处理。 1.2.2 气膜冷却效率测量
使用压力敏感漆(PSP)技术测量平板上的气膜冷却效率，其定义为： (2)
在湍流路易斯数LeT≈1时， PSP技术可通过传热传质类比测量气膜冷却效率[10]，与传统的热方法相比，这一测量技术可排除由平板导热引起的误差。实验时，空气与氮气分别作为冷却射流。
不同横向距离下双射流孔流动与冷却特性实验研究
