叶大海
1.中国航发湖南动力机械研究所，中小型航空发动机叶轮机械湖南省重点实验室 湖南 株洲 412002
摘 要：本文针对复合材料平板开展气膜冷却特性数值模拟研究，分析X，Y，Z三个方向导热系数对平板气膜冷却壁面温度场和冷却效率的影响。计算结果表明在特定条件下，随着X方向上的导热系数（λx）增大，平板热侧壁面整体温度不断下降，温度场分布更均匀。在Y方向上，热侧壁面的综合冷却效率随Y方向上的导热系数变化关系不大。随着Z方向上的导热系数的增大，平板热侧壁面的温度分布更加均匀，热侧壁面综合冷却效率先增大，在气膜孔上游附近开始减小，之后缓慢增大。
关键词：复合材料 各向异性 导热系数 气膜冷却 数值研究
1 引言
随着航空发动机性能、推重比的不断提升，涡轮前温度越来越高，未来先进的涡轴/涡桨发动机中压气机增压比会高达25以上，涡轮进口温度也接进2000K，远远超过当今航空发动机中燃烧室火焰筒、涡轮机匣和叶片等高温部件材料的耐热极限。因此冷却技术及新型耐高温材料的应用成为高功重比发动机研制中的一个重要支撑，特别是在涡轮部件的研制中尤为突出，其中纤维增韧陶瓷基复合材料（Ceramic Matrix Composite,下文中简称为CMC）得到广泛关注，并且不断应用于工程阶段。文献[1]介绍了CMC材料在国外航空发动机热端部件上的应用现状，90年代，GE公司和P&W公司的EPM（Enabling Propulsion Materials）项目就通过使用陶瓷基复合材料来制造燃烧室的衬套，该衬套在1200℃的高温环境下的工作时间超过10000h。NASA Glenn研究中心将SiCf/SiC陶瓷基复合材料应用于涡轮叶片上，可使冷气流量降低15%～25%，并且在燃烧室出口气流速度为60m/s、6个大气压（约6×105Pa）和1200℃工作环境中进行试验，满足考核要求。
本文针对单向纤维增韧的复合材料平板开展气膜冷却特性数值模拟研究，分析X，Y，Z 三个方向导热系数差异对平板气膜冷却壁面温度场和冷却效率的影响。
2 数值模拟方法
2.1 计算模型和边界条件
复合材料平板气膜冷却数值计算边界定义如图1所示。采用商业软件CFX（19.2）进行三维稳态流热耦合计算，空气密度按理想气体计算，湍流模型选择SST模型。计算时，主流进口为流量进口条件，给定流量和总温; 出气腔出口为压力出口条件，为标准大气压。冷气进口为流量进口条件，给定流量和总温。主要变量为X，Y，Z 三个方向导热系数。
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公式中Th为主流进口温度，Tw为壁面温度，Tc为冷气进口温度。
3 结果分析
3.1 X方向导热系数对冷却特性的影响
本小节研究X方向导热系数对冷却特性的影响，其中λy和λz设定为30W/(m·K)，λx设置为4、10、30、50、100和150W/(m·K)。根据文献[3]给出的CMC材料的导热系数范围为1～45 W/(m·K)，本文将重点对50W/(m·K)以内的各方向导热系数的冷却特性进行分析。
图2为不同X方向导热系数平板壁热侧壁面温度云图。随着λx的增大，主流进口处的高温区域不断降低，X方向温度梯度越来越小。随着λx的不断增大，气膜孔周围椭圆形低温区域（X/D =12～16）温度不断上升，平板热侧壁面整体温度在不断下降，温度场分布更均匀。
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图3为不同X方向导热系数下热侧壁面综合冷却效率。由图可知，热侧壁面综合冷却效率随着X/D的增大而不断增大，气膜孔位置（X/D=13）综合冷却效率达到最大，之后随着X/D的增大而不断减小。综合冷却效率随λx的变化关系并非是单调递增或递减关系，气膜孔上游区域（X/D＜12）综合冷却效率随着λx的增大而增大，气膜孔周围区域（12＜X/D＜20）随着λx的增大反而减小。下游区域(X/D＞20)综合冷却效率随λx的变化关系不明显，X/D=30截面处λx由4W/(m·K)增大到50W/(m·K)，综合冷却效率由0.267变为0.272。上述现象主要是因为，在气膜孔上游区域（X/D＜12），随着X方向导热系数的增大，复合材料X方向上的导热能力不断增强，增强了X方向温度的热传导能力，高温区温度不断降低，综合冷却效率随着λx的增大而增大。
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图3不同X方向导热系数热侧壁面综合冷却效率
3.2 Y方向导热系数对冷却特性的影响
随着λy的增大，低温区由气膜孔下游区域向上游区域转移，主要是λy的增大导致Y方向的导热能力增强，在气膜孔内冷气与孔壁面的换热量不断增大，而气膜孔与流向成35°角，因而气膜孔上游的低温区不断扩大。气膜孔周围区域（X/D =12～16），综合冷却效率随λy的变化而增大，增大幅度不明显；总体来看，热侧壁面的综合冷却效率随λy的变化关系不大。主要是因为随着λy的增大，气膜孔周围的低温区受影响，对气膜孔上游和下游的温度影响较小。
3.3 Z方向导热系数对冷却特性的影响
图4为X/D=13处平板内部宽度方向温度随 Z方向导热系数的变化。由图可知，随着λz的不断增大，进口处的高温区域不断降低，气膜孔上游的等温线分布变稀，孔周围区域两侧温度明显升高，气膜孔下游温度的缓慢降低，整体分布更均匀。当X/D=13处横截面温度两边高，中间低，呈V字型分布；随着λz的增大，平板内部的宽度方向温度分布更加均匀，如λz由4 W/(m·K)增加到50W/(m·K)，宽度方向温差由38K降低到18K。随着λz的增大，综合冷却效率先增大，在气膜孔周围开始减小，之后又缓慢增大。
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图4 X/D=13处展向截面温度随Z方向导热系数的变化
4 结论
本文对单向纤维增韧的复合材料平板开展气膜冷却特性数值模拟研究，分析X，Y，Z 三个方向导热系数差异对平板气膜冷却特性的影响，在本文研究范围内，研究结果表明：
1）在本文数值计算范围内，随着X方向上的导热系数的增大，热侧壁面温度场分布更均匀，整体温度降低。气膜孔上游区域（X/D＜12）综合冷却效率随着λx的增大而增大，气膜孔周围区域（12＜X/D＜20）随着λx的增大反而减小。下游区域(X/D＞20)综合冷却效率随λx的变化关系不明显。
2）随着Y方向上的导热系数的增大，低温区由气膜孔下游区域转变为上游区域。热侧壁面的综合冷却效率随λy的变化关系不大。
3）在Z方向上，随着λz的增大，综合冷却效率先增大，在气膜孔上游附近开始减小，之后又缓慢增大。
4）导热系数各向异性平板壁面与各向同性综合冷却效率存在差异，在本文计算条件下各向异性的综合冷却效率低于各向同性。
参考文献:
[1] 文生琼,何爱杰. 陶瓷基复合材料在航空发动机热端部件上的应用[J].航空制造技术,2009.
[2] 李伟.PIP工艺制备Cf/SIC复合材料孔隙结构及其传热传质特性研究[D].长沙:国防科技大学2008
作者简介：叶大海(1990-)，男，主要从事涡轴发动机空气系统及传热研究。