吹风比和湿空气含湿量对平板气膜冷却流动与传热特性的影响

摘要

为进一步分析出湿空气作为冷却工质时气膜冷却相对于干空气气膜冷却的差异,分别通过实验与数值方法,探究了吹风比和湿空气含湿量对平板气膜冷却的影响。在实验研究中,采用红外热像仪测量靶面温度,对比分析了不同含湿量与吹风比下平板气膜冷却性能变化规律,从而得到气膜冷却效率关于吹风比与含湿量的变化关系。在数值研究中,建立了具有单个气膜孔、周期性边界条件的气膜冷却模型,利用ANSYS CFX软件数值分析了高温高压条件下的不同吹风比,不同湿空气含湿量条件下的流动与传热特性。结果表明:在实验条件下,当吹风比为0.7时,靶面冷却效率随含湿量的增加而增加;当含湿量为188.9 g/kg时,湿空气相对于干空气的靶面平均冷却效率增加量最高,约为4.8%。数值分析结果和实验吻合较好。进一步的数值分析表明,当吹风比为0.7时,气膜冷却效果最好,且吹风比处于0.3~0.7之间时,靶面的气膜冷却效果均随着含湿量的增加而增加,当吹风比大于0.7时的规律则相反。基于实验结果与数值结果拟合出靶面平均气膜冷却效率关于吹风比和含湿量的关联式,实验值和数值结果与关联式的相对误差均小于±2%。