近日，我院刘振刚副教授在国际知名流体力学期刊《Physics of Fluids》发表了最新研究成果“不同吹风比和攻角条件下具有不同气膜孔型的平板表面微颗粒沉积特性”（英文标题：Particles deposition on plates with different film cooling hole shapes for different blowing ratios and angles of attack）。刘振刚副教授所在的动力机械内流系统研究团队（刘振侠教授团队）主要从事多相流动与传热、涡轮叶片表面微颗粒沉积与防护、航空发动机滑油系统等方面研究。

论文摘要

外部砂尘、灰尘等微颗粒进入航空发动机内部后可能会沉积在涡轮叶片表面，改变叶片表面外形，增加叶片粗糙度，改变气膜冷却孔附近的流动特性，从而影响涡轮叶片的气动和冷却性能。如何减少微颗粒沉积对涡轮叶片带来的负面影响是未来设计中需要考虑的重要问题。作为一种有效的冷却方法，气膜冷却结构可以改变沉积。本文采用雾化石蜡代替真实微颗粒在常温条件下研究了不同吹气比和攻角下具有几种典型气膜冷却孔型的平板表面沉积特性。结果表明，对于所有孔型而言，随着吹风比以及攻角的增大，微颗粒沉积量增加，其中圆柱孔引起的增加量更为明显。但是，对于锥形、扇形、CONSOLE等孔而言，沉积量增加趋势较弱，同时，在同样条件下，它们导致的沉积量都比圆柱孔小，且在展向上，沉积分布要比圆柱孔均匀，减少了沉积的堆积现象。

研究背景

航空发动机在高浓度微颗粒（例如砂尘、灰尘等）环境中运行时会吸入大量微颗粒，部分微颗粒与压气机碰撞后会进入燃烧室，经过加热后会撞击涡轮叶片，从而可能沉积在涡轮叶片表面，影响叶片的冷却和气动特性。随着飞行器复杂环境适应性的提升，人们越来越重视涡轮叶片的沉积问题。2020年2月，受美国能源部委托，美国国家科学院发布了《先进燃气轮机技术》报告，在该报告着重指出了微颗粒沉积带来的危害，以及针对微颗粒沉积而需要发展的物理模型和机理的重要性。美国计划在2030年前发展各种先进的、能够耐受微颗粒沉积的涡轮机设计。在燃烧室，微颗粒经过加热可能会变为熔融态，研究表明，这种高温加热会加重微颗粒沉积。随着涡轮前温度的升高，常采用气膜冷却对涡轮叶片进行冷却，然而，气膜冷却会对微颗粒沉积产生重要影响，而沉积又会对气膜冷却带来更高风险。因此，有必要研究不同气膜冷却方式对微颗粒沉积的影响。为此，本文在采用一种低温实验方式模拟微颗粒沉积，在不同吹风比和攻角下，研究了几种典型气膜冷却孔型（如图1所示）对微颗粒沉积的影响规律。

研究亮点

1）不同吹风比条件下典型气膜孔型引起的微颗粒沉积特性研究

实验的结果表明，微颗粒沉积主要分布在气膜冷却孔下游，这是因为气膜冷气与主流相互作用形成的漩涡结构会将主流中的微颗粒诱导至结构表面，从而形成沉积。图2给出了不同吹风比条件下，具有不同气膜孔型平板表面微颗粒沉积分布。可以看出，在圆柱孔下游形成的较为严重的沉积；在展向上，圆柱孔下游形成了薄-厚交替的沉积分布，有大量块状沉积形成，且随着吹风比的增加，这种块状分布越来越严重。对于圆锥孔和扇形孔而言，气膜孔下游形成的微颗粒沉积要少，块状沉积明显减少，在展向上，微颗粒沉积要比圆柱孔形成的沉积均匀，且吹风比对微颗粒沉积分布影响要小。图3给出了不同吹风比条件下，具有不同气膜孔型平板表面微颗粒沉积率（沉积率反映沉积量的大小）。可以发现，随着吹风比的增加，微颗粒沉积量都增加；在不同吹风比条件下，锥形、扇形、CONSOLE等孔型引起的微颗粒沉积量要比圆柱孔小得多，例如在吹风比2.0时，圆柱孔引起的沉积率大约为0.16%，而其他三个孔型引起的沉积率仅为0.05%。同时，还可以看出，随着吹风比的增加，锥形、扇形、CONSOLE等孔型引起的微颗粒沉积量并没有明显增加，例如，锥形、扇形孔引起的沉积率仅有吹风比2.0的0.05%增加为吹风比3.0的0.08%左右。这说明锥形、扇形、CONSOLE等孔型在减少微颗粒沉积方面具有较强的鲁棒性。

图3 不同吹风比条件下具有不同气膜孔型平板表面微颗粒沉积率

2）不同攻角条件下典型气膜孔型引起的微颗粒沉积特性研究

为了进一步验证锥形、扇形等孔型在减少微颗粒沉积方面较强的鲁棒性，本文在不同平板攻角下，研究了其表面微颗粒沉积。实验结果表明，在不同攻角条件下，锥形、扇形等孔型引起的微颗粒沉积分布仍然比圆柱孔要在展向上均匀（类似于图2所展示的那样）。需要指出的是，随着攻角大小的增加，虽然迎风面积增加，但微颗粒沉积仍然集中在气膜孔下游，可见气膜冷气与主流相互作用是引起微颗粒沉积主要因素。图4给出了不同攻角条件下具有不同气膜孔型平板表面微颗粒沉积率。可以看出，随着攻角大小的增加，对于所有孔型而言，微颗粒沉积都增加。但是，很明显，在不同攻角条件下，锥形、扇形孔引起的沉积量要比圆柱孔要小得多，同时，攻角大小的增加并未引起锥形、扇形孔型平板表面微颗粒沉积量的明显增加，进一步说明了这两种孔型在减少微颗粒沉积方面具有较强的鲁棒性。

图4 不同攻角条件下具有不同气膜孔型平板表面微颗粒沉积率 （由于关注平板压力面微颗粒沉积，图中迎角非正）

研究结论

本文在不同吹风比和攻角条件下，研究了几种典型气膜孔型对微颗粒沉积的影响。可以发现，相对于圆柱孔而言，锥形、扇形、CONSOLE等孔引起的微颗粒沉积在展向上要均匀一些，块状沉积明显减少，这一点能够减少微颗粒沉积对气膜冷却带来的风险。而且，锥形、扇形、CONSOLE等孔（尤其是前两者）引起微颗粒沉积量要比圆柱孔小得多，这也有助于减少微颗粒沉积对气膜冷却带来的风险。同时，锥形、扇形、CONSOLE等孔随着吹风比或攻角增加，其引起的沉积量并未明显增加，表现出了较强的减少风险的鲁棒性。本文虽然基于气膜冷却流动机理说明了这几种孔引起的微颗粒沉积特性的差别（详见论文），由于实验上难以同时获得详细的流动结构，并未给出定量的说明，将在后续研究中结合数值模拟进行更为 深入的研究。

审核：徐永超 高文君