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2024年4月推进技术Apr.2024

第45卷第4期JOURNALOFPROPULSIONTECHNOLOGYVol.45No.4

倾斜椭球凹陷阵列湍流强化传热实验与数值分析*

许超，张鹏，饶宇

（上海交通大学机械与动力工程学院，上海200240）

摘要：为了提高涡轮叶片内部通道对流传热性能，本文基于瞬态液晶热像技术分别针对矩形通道

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表面排布的球形凹陷和斜椭球凹陷阵列的传热和压力损失特性进行了实验研究。在雷诺数为110~

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6×10内，与基准球形凹陷相比，平行排布和V形排布的斜椭球凹陷总体传热分别增强了23.8%~33.8%和

104%~121%，V形排布的斜椭球凹陷综合传热性能显著提高了25%~68.3%。通过数值模拟发现，平行排

布的斜椭球凹陷虽然可以诱发更强烈的二次流，但是平行的排布方式使下游凹陷受到来自上游凹陷升温

后的流体冲刷，因此限制了传热的进一步增强。V形排布的斜椭球凹陷通过诱发大尺度的纵向涡对将来自

主流的冷流体输运至壁面，冷流体直接冲击壁面并与近壁流体剪切，极大地增强了对流传热。

关键词：涡轮叶片冷却；斜椭球凹陷；传热；瞬态液晶热像实验；流动结构

中图分类号：V231.1文献标识码：A文章编号：1001-4055（2024）04-2209005-09

DOI：10.13675/j.cnki.tjjs.2209005

距均可以同时提高传热性能和综合传热性能。

1引言

一些研究发现，凹陷形状能够显著影响通道的

提高航空发动机涡轮进气温度可以有效提高整［6-11］［6］

传热和流阻性能。Chyu等通过瞬态热色液晶

机效率和比功，而新一代航空发动机涡轮进口燃气实验研究了球形凹陷和泪滴形凹陷的传热性能，发

温度已接近2000K［1］，这远远高于金属材料的耐温现相较于球形凹陷，泪滴形凹陷在维持综合传热性

极限，所以发展先进的涡轮叶片冷却技术具有必要［7］

能的同时增强了传热。Acharya等针对正方形、三

性和重要性。目前涡轮叶片主要的冷却方式有气膜

角形、球形和泪滴形凹陷开展研究，发现泪滴形凹陷

冷却、冲击冷却和内部对流冷却。内部对流冷却作

具有最好的综合传热性能，其在尾迹区诱发的涡对

为最基础的冷却方式一直是研究的重点。［8］

可以形成高传热区。Rao等通过研究球形、泪滴形