近壁流向涡对多排孔的模拟与实验研究

通过模拟叶栅研究二次流对端区多排扇形孔的影响，并在平板气膜实验台上安装涡流发生器生成流向涡，模拟叶栅端区二次流对壁面气膜冷却的作用，研究流向涡强度对多排扇形孔冷效的影响。结果表明：当涡流强度增加，流向涡对气膜冷效的影响和气膜偏斜程度增加。气膜的叠加效应可以提高第二排和第三排气膜冷却效率，弥补流向涡造成后排气膜冷却效率的降低。进气角会影响叶栅通道涡强度，导致端壁气膜发生变形，冷效分布发生改变。边界层会造成二次流强度减弱，导致压力面侧的气膜冷效得到增强。

先进燃气轮机中引入了气膜冷却技术保护热端高温部件， Bogard 等[1]总结了近半个世纪的气膜冷却研究成果， 他们认为气膜孔的构型是提高离散孔气膜冷却效果的关键。

自Goldstein 等[2]提出扇形孔概念， 提高气膜冷却效率以后，气膜孔研究获得了各种异形孔。Bunker [3]总结四类十余种孔型的实际效果，认为扩散扇形孔结构形状简单，冷却性能稳定，是最有实际应用价值的。

实际工程中，若干离散气膜孔在冷却界面上是按照一定规律排列的。Sellers [4]建立了多排气膜孔冷效的叠加计算方法。Afejuku 等人[5]提出优先使用交错孔排配置，并且当排间距是10 倍孔径时，能获得最大的面平均冷效。Li [6]通过实验研究涡轮叶片吸力面上多排孔的冷却性能，发现交错排列的孔可以实现更均匀的膜覆盖和更高的膜冷却效果。

涡轮叶栅端壁气膜冷却受到端区二次流的影响，叶片前缘马蹄涡的压力面分支发展成通道涡，横掠叶栅端壁。Saha 等[7]发现二次涡结构阻止了气膜冷却射流覆盖压力侧的壁角区域。苏杭等[8]发现二次流导致顺排气膜孔布局并不能使端壁表面获得均匀的温度分布。Li 等[9]通过实验发现上游射流会改变端壁二次流影响下游气膜孔射流，此外上游和下游孔射流之间存在相互作用，其作用会增加混合损失， 引起更高的湍流度。

Luo 等[10]研究发现在低吹风比下， 端壁气膜由射流和涡流之间相互作用决定， 吹风比增加，涡流影响减小。Tao 等[11]发现上游槽型改变会增加冷却剂动量，抑制二次流对端壁气膜冷却影响。

针对涡流对离散气膜孔冷却效果的影响，Ligrani 等[12]研究了纵向涡对圆柱孔气膜的影响，发现涡下洗侧的局部斯坦顿数增大。Fiebig 等[13]指出流向涡不仅能破坏流动的稳定性，而且能增强主流与端壁的相互作用， 强化端壁换热。

Zhang 等[14]发现在圆柱气膜孔下游布置涡流发生器可以提高气膜冷却效率。

Chung 等[15]认为涡旋的相对位置和旋转方向对圆柱气膜孔气膜冷却效率的影响显著。Zhang 等[16]通过在离散圆柱孔上游或下游放置块体， 产生与方向旋转涡对相反的涡对， 从而提高冷却剂的横向覆盖范围。

崔晓峰等[17]研究流向涡对单排扇形孔气膜冷效的影响， 发现流向涡能抑制扇形孔射流在高吹风比时的吹离趋势，提高了气膜的贴附性。

涡流对多排扇形孔气膜冷效的研究较少。

本文通过模拟研究叶栅端壁中流向涡对多排气膜孔的影响， 并在平板实验中研究通过涡流发生器(VG)引发的涡流对排孔的影响。研究旨在掌握近壁涡对多排扇形孔气膜冷效的作用机理，掌握二次流对端壁气膜气热性能的影响规律，为设计者预测端壁气膜冷却需求和提高端区气膜冷却性能提供理论依据。