单孔射流附壁流场特性的高速纹影研究

摘要

现代燃气轮机不断提升入口工质温度以增强循环热效率，但同时也导致了工作部件热负荷和机械负荷不断增加。为了确保设备性能，延长使用寿命，有效冷却燃气轮机内部高温部件就显得非常重要。目前，已开发的冷却措施主要有气膜冷却、对流冷却、发散冷却和复合冷却等，其中，气膜冷却技术的使用最为广泛，工业应用前景尤为广阔。国内外学者已从气膜孔的几何参数和冷却流场气动参数方面着手研究影响气膜冷却效率的因素。
　　本文以观察研究平板气膜冷却流场中的温度场、速度场和涡量场等特性为目的。前期在实验台的搭建和纹影光学系统的设计以及调试方面做了大量的准备工作，并总结了现实验装置存在的不足之处且提出了较可能的改善方法。在主流为1.8m/s，射流角度为30度、45度和60度，射流速度为0.35m/s、0.58 m/s、0.81m/s、1.16m/s和1.74m/s的实验工况下，使用直流风洞装置，运用高速摄影纹影系统，对圆形单孔进行了大量的无主流射流附壁流场和有主流气膜冷却流场的纹影实验，获取了较多的纹影图像。在数值模拟方面，主要对气膜冷却流场的温度场、速度场、密度场和涡量场进行了较仔细的分析。结合实验数据和数值模拟结果主要工作内容和结论有：
　　1、使用纹影法可以清楚观察到射流的形状结构和特点，并能够区分射流在不同射流角度和速度工况下流场的差异性变化。2、分析射流瞬态纹影图像，能够观察到射流运动状态，发展趋势，特别是涡的生成、发展、迁徙、扩散和破碎过程。3、验证了射流 K-H不稳定性存在的现象,即如果初始流态是层流状态，则射流剪切层会形成轴对称涡环，并在输送传递到下游的过程当中互相作用并混合形成复杂的涡结构，到最后会失稳、破裂形成紊流。在文章中也较详细地分析了涡的形成机理，涡量场特性。4、在气膜冷却数值模拟中，温度场和密度场有相似的分布规律，速度场上方速度会因为存在喉部收缩效应而增加，涡量场中较高射流速度的迎风侧有一排成序列的涡环存在。

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第一章 绪论

1.1课题背景及研究意义

1.2气膜冷却技术研究概括

1.3国内外气膜冷却技术的研究现状

1.4国内外主要的流体显示与测量技术

1.5本课题的目的意义和主要工作

第二章 实验装置

2.1实验装置介绍

2.2纹影技术概述和基本原理

2.3纹影光学系统验证实验

2.4现纹影系统存在的不足及可能改进方法

2.5本章小结

第三章 图像处理及误差分析

3.1数字图像处理的基本概念

3.2图像分类

3.3图像格式

3.4图像的尺寸大小与分辨率

3.5 KEYENCE高速摄像机生成的图像

3.6实验纹影图像处理

3.7误差分析

3.8本章小结

第四章 射流附壁流场特征分析

4.1射流概括

4.2射流附壁流场瞬态纹影图像分析

4.3射流附壁流场特性对比分析

4.5涡量场分析

4.6本章小结

第五章 数值仿真计算及分析

5.1控制方程

5.2湍流模型及数值方法

5.3计算模型及网格划分

5.4数值模拟结果分析

5.5本章小结

第六章 结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢