[发明专利]一种确定横流与叶片前缘冲击换热关系式的方法

说明书

本发明公开了一种确定横流与叶片前缘冲击换热关系式的方法，具体为：确定涡轮叶片前缘非对称凹面冷却通道具体结构尺寸；确定冲击冷却进口工况以及横流进口工况；确定横流工况与冲击工况无量纲关系；采用数值模拟方法进行计算并得到大量基础数据；采用非线性回归方法进行拟合；得到最终无量纲关系式并进行误差分析。本发明方法准确得到了横流对涡轮叶片前缘非对称凹面冷却通道冲击冷却换热影响的无量纲关系式，实现了对横流影响的准确预估，相比现有技术，避免了大量工况模拟，对典型叶片前缘结构的研究和优化具有指导意义。

技术领域

本发明涉及一种确定横流与叶片前缘冲击换热关系式的方法，属于航空宇航推进理论中的发动机热端部件冷却技术领域。

背景技术

在整个涡轮叶片结构中，由于受到高温气流的直接冲击，前缘区域具有最高的热负荷。在这种情况下，冲击冷却和气膜冷却结构被广泛应用于叶片前缘。目前，相关研究大多是在平板表面进行的。然而，凹面有限空间的传热特性和流动结构有其独特的特点，需要进一步的研究。

叶片前缘往往曲率较大，与冲击平板靶面相比，凹面靶面会产生Taylor-gortler涡，使流动更加不稳定。早在1969年，Chupp等学者就研究了单排冷却射流冲击半圆靶面的传热问题，提出了实验范围内基于相关无量纲几何参数的换热努塞尔数关联式，并且直到如今在叶片前缘实际设计中依然得到广泛应用。由于涡轮叶片中的冲击孔往往呈现单排或多排的布置方式，上游射流会在腔体内产生横流，迫使下游射流发生偏转。一些研究者对带横流的单排孔冲击进行实验研究，结果表明，初始横流对冲击换热具有削弱作用。还有一些研究者的研究表明，阵列射流受横流影响的结果在不同结构下没有简单规律。以上研究都是针对平板双层壁结构进行开展的，目前，关于横流对叶片前缘凹面冲击冷却通道影响的研究还较为不足。

通过实验和数值模拟得到大量数据并进行相关参数的无量纲关系式拟合是常用的研究方法。韩介勤等学者提出了包含横流因素的努塞尔数无量纲关系式的基本形式，但一般应用于平板冲击。前文提到的Chupp等提出了冲击凹面的基于相关无量纲几何参数的换热努塞尔数关联式，但没有考虑横流相关参数。目前，关于可以应用于叶片前缘旋流结构的包含横流参数的无量纲关系式研究较为缺乏。

综上所述，如何量化分析横流对涡轮叶片前缘非对称凹面冷却通道冲击冷却换热影响，尤其是确定相关无量纲关系式，已成为本领域函待解决的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种确定横流与叶片前缘冲击换热关系式的方法，可用于涡轮叶片前缘冷却通道旋流冷却，避免了大量重复数值计算。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种确定横流与叶片前缘冲击换热关系式的方法，包括如下步骤：

步骤1，根据涡轮叶片气动设计要求，提取涡轮叶片前缘非对称凹面冷却通道，确定涡轮叶片前缘非对称凹面冷却通道具体结构尺寸，根据具体结构尺寸构建冷却通道模型；

步骤2，根据涡轮实际的工作状态，确定冲击冷却进口工况以及横流进口工况，其中，冲击冷却进口工况包括冲击冷却腔进口雷诺数和冲击进口质量流量；横流进口工况包括横流进口质量流量；

步骤3，对所述横流进口质量流量和所述冲击进口质量流量进行无量纲化处理，得到无量纲关系；

步骤4，根据步骤1构建的冷却通道模型，采用数值模拟方法计算得到横流与叶片前缘冲击换热关系式中各变量数据对应的努塞尔数；

步骤5，根据步骤2确定的工况和步骤3得到的无量纲关系，确定横流与叶片前缘冲击换热关系的函数形式以及待定系数；

步骤6，给定步骤5所述待定系数初值，利用步骤4得到的变量数据进行拟合，得到待定系数值；

步骤7，将步骤6得到的待定系数值代入步骤5确定的函数形式，并与预先得到的数值模拟结果进行误差分析，得到误差值；