三维LDA测量喷射冷却板上的横向冲击射流

流线显示平均速度场,根据湍流动能着色编码。厚洋红色的流管位于涡流的核心。流东从上到下。数据取自[1]

两个反向旋转的焦点靠近壁面,在横向射流的尾迹处。从下游位置观察流带并在对称平面中镜像以便于说明。一个区域的尺寸为0.9mm'0.9mm'0.4mm,中心位于x / d = 1.5,y / d = 0.1和z / d =±0.1。另一个区域包含500个测量点。流带根据速度大小着色。

       一般希望降低燃料消耗率并增加航空发动机的推力/重量比,这需要更高的涡轮机入口温度。因此需要有效的冷却方法,以确保壁衬温度足够低并且均匀。需要进行热防护的部件包括涡轮机端壁,涡轮机叶片和火焰稳定器。最有效的冷却方法是蒸发冷却,其中冷却剂流过多孔壁,这样传热面积大并且从壁面出来的空气形成保护膜。蒸发冷却的主要缺点是颗粒或氧化物会堵塞孔隙。因此,更实用的冷却方法是喷射冷却。穿过壁面钻出大量小注入孔,这些孔足够大,可确保没有颗粒卡在孔里并阻碍气流。

       本文设计了一个缩比实验,并在带有与主流方向相差30°多排喷射孔的平板上进行测量。使用三分量激光多普勒风速测量法对第三行倾斜射流中的一个进行测量。

       研究的区域包含35340个测量点,长11d,高2d,宽2d,d是喷射孔直径。在实验中喷射孔直径为5mm。这些孔以交错的方式加工,横向间距为4d,纵向间距为6d。在该研究中,操作参数是Red= 6000,Ma0 = 0.05,Ujet / U0 = 0.89,Tjet / T0 = 1并且rjet / r0 = 1。

       在射流尾迹处,中心平面的每一侧都发现了一个焦点,这些焦点是反向旋转的并且在注射孔后引起反向流动。焦点涡旋和孔侧的涡旋在中心平面的每一侧共同旋转。它们在下游位置处对齐并可能螺旋在一起。此后,速度场由中心平面每侧的两个涡旋支配。在反向旋转焦点的下游发现了不稳定的鞍状点。射流与其下方的逆流之间以及焦点处的剪切层显示出大的平均速度梯度。在焦点的每一侧都发现了低湍流水平(4%)和高湍流水平(26%)的流动。

       在孔口附近发现低湍流水平的流动,而在不稳定节点附近发现高湍流水平的流动。在节点下游的位置观察到(U,W)的平面肾形连接点p.d.f.s,这表示射流的涡旋脱落或摇摆。这也表明热交叉流体从侧面扫入。

不同平面上的雷诺应力。在焦点下游发现了高湍流水平(26%),并且在出口处的射流下方发现了低湍流水平(4%)。流动从右下到左上。

       测量中使用了三台Dantec Dynamics 脉冲频谱分析仪(BSA)。 LDA以侧向散射模式工作,减少了壁面反射。每个光学探头具有1.94倍的光束扩展器和310mm前透镜。这种布置提供了45mm的测量区域,具有近似球形的形状。小测量区域减小了速度梯度偏差。所有三个BSA都在硬件主重合模式下工作。

       通过平衡雷诺平均动量方程中的所有项来计算压力梯度。通过对最小二乘法中的梯度进行积分获得压力场,实验发现了喷射器前面的高压区域,这导致横流液体侧向升起和偏转。在喷射器侧面和每个焦点内部的涡流核心中看到了低压区域。在注入孔的下游发现了一个低压带,导致射流向下偏向壁面。在反向旋转涡流的核心中发现了一个压力更低的低压区域。有关详细信息,请参阅[1]。

参考文献

[1] Gustafsson, K. M. B. 2001. Experimental Studies of Effusion Cooling. Ph.D. thesis, Department of Thermo and Fluid Dynamics, Chalmers University of Technology, SE-412 96 Göteborg, Sweden.​​​​​​​

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