先進(jìn)氣膜孔形研究綜述*

王海濤，張文武，郭春海

（中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所浙江省航空發(fā)動(dòng)機(jī)極端制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧波 315201）

現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展趨勢(shì)在于追求越來(lái)越高的推重比，提高推重比的重要途徑之一就是提高渦輪進(jìn)口溫度。正在研制的推重比12～15 航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪進(jìn)口平均溫度達(dá)到2073.15K，下一代發(fā)動(dòng)機(jī)的渦前進(jìn)口溫度預(yù)計(jì)將達(dá)到2300～ 2400K[1]，這已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)葉片鈦/鎳基合金的耐受溫度。因此要解決這個(gè)問題存在兩種技術(shù)路線：一種是使用新材料以提高葉片本身耐高溫工作性能。如國(guó)外羅·羅公司Ultrafan發(fā)動(dòng)機(jī)采用的碳鈦合金[2]，歐洲、美國(guó)、日本等競(jìng)相研究的可將熱端部件服役溫度提高到1650℃的陶瓷基復(fù)合材料（Ceramic matrix composite，CMC）[3]等；國(guó)內(nèi)西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制出的Cf/SiC 復(fù)合材料，北京科技大學(xué)新金屬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制出的高鈮鈦鋁合金[4]等。另外葉片表面噴涂熱障涂層[5]也可提高葉片耐高溫性能。另一種是使用冷卻技術(shù)（如沖擊冷卻[6]、發(fā)散冷卻[7]、氣膜冷卻[8]等）降低葉片表面溫度，而冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是冷卻技術(shù)的核心。事實(shí)上，冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常受空氣動(dòng)力學(xué)、熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力、制造工藝、冷氣消耗量等因素的相互約束。理想狀態(tài)下二維槽縫的氣膜冷卻效果最好，但是其他因素?zé)o法滿足，故而目前離散氣膜冷卻孔運(yùn)用較為普遍。

氣膜冷卻孔的設(shè)計(jì)都是圍繞兩個(gè)目標(biāo)，即提高冷卻效率η和擴(kuò)大展向覆蓋面積S。孔的幾何參數(shù)的改變包括孔橫縱傾斜角、孔徑 、孔長(zhǎng)徑比、孔間距、孔入口形狀、孔出口的形狀、孔道形狀等。研究發(fā)現(xiàn)氣膜孔的氣動(dòng)損失主要分為孔道損失和二次流與主流之間摻混損失。美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)Goldstein[9]較早地綜述了平板氣膜冷卻，介紹了不同幾何冷卻結(jié)構(gòu)和流場(chǎng)參數(shù)對(duì)氣膜冷卻的影響。德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校Bunker[10]總結(jié)了經(jīng)典氣膜冷卻孔形和孔附屬結(jié)構(gòu)的發(fā)展思路，從冷卻效率、流場(chǎng)、傳熱系數(shù)、流量系數(shù)、工藝性能等方面評(píng)價(jià)孔性能，為后面更先進(jìn)的冷卻孔形的出現(xiàn)打下基礎(chǔ)。

本文詳細(xì)介紹了近些年氣膜孔結(jié)構(gòu)對(duì)氣膜冷卻傳熱特性影響的研究進(jìn)展，著重探討了國(guó)內(nèi)外關(guān)于氣膜孔幾何結(jié)構(gòu)對(duì)氣膜冷卻特性影響的研究成果, 主要分為以下3 個(gè)方面：（1）二次流與主流交互區(qū)的流場(chǎng)特征及氣膜冷卻特性提升的機(jī)理； （2）氣膜孔形的變化對(duì)冷卻性能的影響；（3）氣膜冷卻孔排布方式和附屬結(jié)構(gòu)對(duì)氣膜冷卻特性提升的影響。近些年新的氣膜孔形不斷涌現(xiàn)而相關(guān)綜述比較少，且大多關(guān)注冷卻技術(shù)。本文僅聚焦于氣膜孔形和圍繞氣膜孔而產(chǎn)生的新型附加結(jié)構(gòu)，并不涉及新的特種冷卻技術(shù)。

氣膜冷卻的機(jī)理研究

氣膜冷卻的過(guò)程主要為二次流與主流相互作用的過(guò)程。二次流與主流相互作用在很大程度上由孔出口處的局部壓力梯度決定。南京航空航天大學(xué)Zhang 等[11]繪制了流場(chǎng)結(jié)構(gòu)圖，如圖1 所示。流場(chǎng)主要由射流前沿的迎風(fēng)渦（WV）、對(duì)旋渦對(duì)（CVP）（也叫腎形渦）、射流周圍的馬蹄形渦流（HV）和射流后緣的背風(fēng)渦（LV）組成。CVP、HV 等渦流會(huì)將熱氣卷入至壁面，如圖2 所示[12]，因此邊界層上渦流位置和強(qiáng)度對(duì)冷卻效率有著重要影響。

圖1 射流與主流交互區(qū)的渦旋結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of vortical structures of jet in crossflow

氣膜冷卻孔形介紹

氣膜冷卻技術(shù)最早用于飛機(jī)機(jī)翼防冰[13]。20 世紀(jì)70年代美國(guó)開始重視氣膜冷卻技術(shù)在葉片冷卻上的應(yīng)用。早期的氣膜冷卻孔是圓柱孔，但是隨著研究深入，逐漸發(fā)現(xiàn)圓柱氣膜孔存在展向覆蓋面積較小、射流動(dòng)量集中、對(duì)熱主流的穿透性較強(qiáng)、孔間冷卻效率很低、高吹風(fēng)比M下近孔出口下游冷卻效率低等缺陷。Goldstein 等[14]第一個(gè)研究了由異形孔產(chǎn)生的氣膜冷卻特性，試驗(yàn)件為出口展向擴(kuò)張角為10°的扇形孔。Goldstein 認(rèn)為，氣膜孔出口形狀和孔道幾何形狀的變化會(huì)使二次流更貼壁。提出了使扇形孔冷卻性能優(yōu)于圓柱孔的兩種可能機(jī)理：一種是孔出口二次流動(dòng)量的減小，從而對(duì)主流穿透性減弱；另一種是因?yàn)榭露鬟_(dá)效應(yīng)，使得氣膜層更貼附表面。試驗(yàn)結(jié)果顯示，扇形孔的二次流具有出色貼壁性。孔的中心冷卻效率隨M變化而保持穩(wěn)定，幾乎保持在等徑圓孔最高流量下的冷卻效率。實(shí)際上一般當(dāng)M≥0.5 時(shí)，圓形氣膜孔冷氣膜“吹離”壁面。但是隨著M的提高，扇形孔氣膜的冷卻效果會(huì)變得越來(lái)越好。許多學(xué)者逐漸提出了各種不同形狀的孔形，下文將詳細(xì)進(jìn)行介紹。

1 經(jīng)典孔形

經(jīng)典異形孔主要分為4 個(gè)基本幾何形狀[9]，如圖3 所示[9]。A 形孔是經(jīng)典的后傾扇形孔，既包括展向擴(kuò)張角β，也包括后向傾斜角δ，這種后傾結(jié)構(gòu)后來(lái)被很多異形孔采用；B 形孔僅包含展向擴(kuò)張角β；C 形孔僅包含后向傾斜角δ；D 形孔是一個(gè)出口發(fā)散的圓錐形氣膜孔。由此衍生出了許多收斂–發(fā)散形氣膜孔形，該類氣膜孔性能優(yōu)異，是當(dāng)今的研究熱點(diǎn)。

針對(duì)此類氣膜孔，各國(guó)學(xué)者進(jìn)行了不同的研究。德國(guó)卡爾斯魯厄大學(xué)Giebert[15]和Thole[16]等數(shù)值模擬和試驗(yàn)測(cè)量了在相同條件下圓孔、扇形孔和后傾扇形孔的孔出口流體相互作用區(qū)的流場(chǎng)。結(jié)果表明，在沿二次流中心線和展向分布上，異形孔無(wú)論在冷卻效率還是展向擴(kuò)張能力上均比圓柱孔要好，異形孔對(duì)湍流強(qiáng)度變化的敏感性更低。

美國(guó)華盛頓大學(xué)Haven 等[17]用平面誘導(dǎo)熒光測(cè)量了后傾扇形孔的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，結(jié)果表現(xiàn)出明顯反腎形渦流動(dòng)結(jié)構(gòu)。事實(shí)上，反腎渦過(guò)強(qiáng)會(huì)將冷卻膜攤薄，從而有可能導(dǎo)致下游的氣膜冷卻效率降低。扇形孔也有此種特征，但程度較輕。扇形孔的馬蹄渦比圓柱孔的小，不能完全環(huán)繞射流，與二次流相遇即消失，且分離區(qū)小，下游流線均勻。 后傾扇形孔的斜面可以使射流更好地貼附在壁面上，孔出口處也沒有分離區(qū)。

圖2 后傾扇形孔的前緣馬蹄渦Fig.2 Horse shoe vortex formation for blowing holes with laid–back

2 收縮–擴(kuò)張形氣膜孔

在異形孔領(lǐng)域，為了消除氣動(dòng)損失嚴(yán)重的現(xiàn)象，提出了收縮–擴(kuò)張孔（Covering–slot hole，CONSOLE）。冷卻機(jī)理是其孔道逐漸收縮，迫使冷氣加速沿展向流動(dòng)，在孔出口形成一對(duì)反腎渦，降低二次流的穿透性且阻止了熱主流被卷入孔道，冷卻效率得以提高，同時(shí)在孔道內(nèi)形成順壓梯度，分離渦尺寸變小[18–21]。收縮–擴(kuò)張形孔主要分為兩種：一種是孔出入口面積比（Area ratio，AR）通常小于1；另一種是RTSH（Round–to–slot shaped holes），AR 不固定。研究證明AR>1 的RTSH 的氣動(dòng)損失更小。

CONSOLE 由澳大利亞塔斯馬尼亞大學(xué)Sargison 等[22]發(fā)明，如圖4 所示[22]。與圓柱形孔和扇形孔相比，CONSOLE 擁有更均勻的展向氣膜冷卻效率分布和更少的氣動(dòng)損失，是最接近平面槽縫冷卻的孔形[23]。槽縫和CONSOLE 不會(huì)顯著改變邊界層的流動(dòng)狀態(tài)，但是扇形和圓柱孔會(huì)增厚邊界層。CONSOLE 孔道內(nèi)的氣動(dòng)損失很大，二次流的壓力降較大，二次流與主流的摻混導(dǎo)致出口附近湍流度較大[24]。小AR 的CONSOLE 可以產(chǎn)生更高的冷卻效率，但是其流量系數(shù)會(huì)下降。

南京航空航天大學(xué)Huang等[25–26]采用多目標(biāo)優(yōu)化方法模擬了平板單排不同幾何尺寸RTSH，如圖5 所示，目標(biāo)函數(shù)為空間平均氣膜冷卻效率和流量系數(shù)Cd，變量為長(zhǎng)徑比L/D、孔傾角θ、孔高t、槽寬s和吹風(fēng)比M。試驗(yàn)結(jié)果表明，M越大，RTSH 形狀越顯著地影響氣膜層往下游發(fā)展，θ、t的減小會(huì)導(dǎo)致氣膜冷卻效率增加，s的增加會(huì)使得流量系數(shù)增加。Liu等[27]提出了新型異形孔——束腰形槽縫孔。如圖6 所示[27]，該形孔出口槽縫向內(nèi)凹，則孔出口兩側(cè)產(chǎn)生了類似于導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)。該形孔的冷卻機(jī)理是產(chǎn)生一個(gè)反腎渦對(duì)。對(duì)比束腰形槽孔和CONSOLE，結(jié)果表明，當(dāng)CONSOLE 的β較小時(shí)其二次流無(wú)法很好地覆蓋孔間區(qū)域。但是束腰形槽孔可以通過(guò)其腰形結(jié)構(gòu)彌補(bǔ)這一缺陷。其導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)迫使更多的射流流向兩側(cè)，所以在孔間產(chǎn)生厚氣膜層，因而冷卻效率高，且熱通量比小于1。

韓國(guó)仁荷大學(xué)Kim 等[28]將收縮–發(fā)散孔與扇形出口組合起來(lái)，并在扇形出口前設(shè)置圓柱段，如圖7 所示[28]。圖8[29]顯示了孔道擴(kuò)散段中的分離區(qū)，由于冷氣朝向孔軸線偏轉(zhuǎn)，在擴(kuò)散入口處出現(xiàn)了非對(duì)稱的速度分布，這種現(xiàn)象稱為噴射效應(yīng)。分離區(qū)域形成于孔的后緣，并將冷射流擠到側(cè)面。與扇形孔相比，這種孔在M為0.5、1.0 和1.5 時(shí)分別將空間平均氣膜冷卻效率提高了4.3%、5.9%和9.9%。收縮–發(fā)散扇形孔也抑制了噴射效應(yīng)。

圖3 4 種經(jīng)典氣膜孔形Fig.3 Defined geometries for four types of shaped film holes

圖4 CONSOLE 幾何圖Fig.4 Schematic of covering-slot hole

圖5 RTSH 幾何尺寸圖Fig.5 Schematic of round-to-slot shaped hole

圖6 束腰形槽縫孔排Fig.6 Configuration of waist-shaped film cooling hole rows

這種在孔出口將二次流導(dǎo)向兩側(cè)以增強(qiáng)氣膜展向分布能力和促進(jìn)反腎形渦形成的設(shè)計(jì)越來(lái)越被許多設(shè)計(jì)師采用。比如設(shè)置導(dǎo)流槽為箭形孔，入口呈矩形而出口是箭形，孔內(nèi)流速最大處約在孔道中部。日本石川島播磨重工Okita 等[30]在葉片吸力面和壓力面上對(duì)比了箭形孔與后傾扇形孔的冷卻性能，如圖9 所示[30]，誘導(dǎo)的反腎渦取代CVP，二次流的展向覆蓋能力得到增強(qiáng)，對(duì)主流的穿透性大幅減弱,氣膜貼壁性大大增強(qiáng)，摻混減弱。馬來(lái)西亞理科大學(xué)Yusop 等[31]提出了心形氣膜冷卻孔形，如圖10 所示[31]。心形孔冷卻效率提升機(jī)理是通過(guò)在其兩個(gè)導(dǎo)流槽之間創(chuàng)建引起吹脫現(xiàn)象渦的強(qiáng)度衰減區(qū)，因而氣膜貼壁性得到增強(qiáng)。其本質(zhì)是利用每個(gè)導(dǎo)流槽產(chǎn)生的類似單圓柱孔的腎形渦來(lái)產(chǎn)生抵消效應(yīng)，因而各自的渦流強(qiáng)度得到減弱，如圖11 所示[30]。

3 帶有副孔的異形氣膜孔

許多學(xué)者還提出了一些主孔+副孔的異形孔。Dhungel[32]和NASA的Heidmann[33]等最先提出在主孔兩側(cè)帶支孔結(jié)構(gòu)以方便產(chǎn)生反腎渦的氣膜孔型。將最大的一個(gè)主孔放置在中間，另外兩個(gè)小孔在兩側(cè)均具有復(fù)合角，這被稱為抗渦設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)高效的氣膜冷卻。

圖7 帶有圓柱段的收縮–發(fā)散扇形出口氣膜孔幾何結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Geometries of a fan-shaped converging-diverging hole with a cylindrical part

圖8 收縮–發(fā)散扇形氣膜孔內(nèi)部流場(chǎng)Fig.8 Flow structure inside fan-shaped converging diverging hole

圖9 在M=2.3 條件下葉片吸力面上箭形孔的出口二次流速度矢量和氮摩爾分?jǐn)?shù)圖Fig.9 Calculated secondary velocity vectors and nitrogen mole fraction contour near arrowhead-shaped film cooling hole exit on suction surface, M=2.3

圖10 心形孔三維尺寸Fig.10 Three-dimensional sketch for heart-shaped cooling hole

圖11 心形孔渦流抑制機(jī)理圖Fig.11 Vortex mitigation in heart-shaped hole

上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院魏小峰等[34]提出了帶抑渦支孔結(jié)構(gòu)的新型氣膜孔，如圖12 所示[34]。新型孔的冷卻效率要高于圓柱孔，特別是在高M(jìn)條件下更明顯。當(dāng)M=0.5 時(shí)，三者的冷卻效率差別不大；當(dāng)M> 0.5 時(shí)，兩輔孔與主孔平行的孔型和兩輔孔在下游的孔型冷卻效率差別不大，但均高于兩輔孔在上游的孔型，隨著M的增大效果更明顯。這種新結(jié)構(gòu)無(wú)論是氣膜貼壁性還是展向覆蓋性均好于圓柱形孔。

圖12 抑渦支孔結(jié)構(gòu)模型Fig.12 Anti–vortex hole models

西安交通大學(xué)Zhou 等[35]用數(shù)值模擬了這種三孔組合結(jié)構(gòu)，如圖13 所示。其結(jié)構(gòu)由一個(gè)中心主孔和兩側(cè)副孔組成，原理是利用兩側(cè)副孔產(chǎn)生的腎形渦與主孔腎形渦產(chǎn)生的抵消效應(yīng)，從而削弱主孔的腎渦強(qiáng)度，提高冷氣膜的冷卻效率和展向覆蓋面積。

圖13 主副孔結(jié)構(gòu)圖Fig.13 Schematic diagram of sister holes cooling structure

4 其他新孔形

另外，還有部分學(xué)者提出了一些其他的新孔形。西北工業(yè)大學(xué)孟通等[36]提出了邊倒圓型氣膜孔。如圖14 所示[36]，該孔基本特征為在氣膜孔出口前緣處進(jìn)行倒圓處理，倒圓半徑R=0.22D。由于新孔出口的擴(kuò)張結(jié)構(gòu)，二次流在氣膜孔出口處更易膨脹和受到主流的擠壓作用影響，相比于圓柱孔不僅氣膜展向覆蓋范圍較大，而且冷氣更貼近壁面，冷卻效率較高，在高M(jìn)下也沒有明顯的“吹脫”現(xiàn)象。邊倒圓型孔的前緣處主流與射流摻混更劇烈，具有較高湍流度的摻混氣體會(huì)顯著增強(qiáng)該區(qū)域的換熱系數(shù)。值得注意的是，在較低的M條件下，孔的下游遠(yuǎn)處的氣膜覆蓋面積較大，二次流抗摻混能力強(qiáng)，換熱系數(shù)較低。在M=4 時(shí)，邊倒圓型孔下游后半段冷卻效率比圓孔的低，但邊倒圓型氣膜孔的流通能力較強(qiáng)，流動(dòng)損失明顯減小，流量系數(shù)比圓柱孔高約 5%，壓力損失較小。

西北工業(yè)大學(xué)Zhang 等[37]對(duì)比了5 種橢圓孔（變量為孔出口長(zhǎng)寬比l/d）和圓柱孔出口的冷卻性能，如圖15 所示[37]，橢圓孔能產(chǎn)生一對(duì)反腎渦對(duì)以抵消CVP 的影響。結(jié)果表明，在任意M下，擁有高l/d孔形的展向平均氣膜冷卻效率高于低l/d孔形，這種l/d的增加使對(duì)旋渦對(duì)更靠近壁面，并提供了更好的氣膜冷卻效果。

圖 14 邊倒圓型氣膜孔的幾何結(jié)構(gòu)和出口網(wǎng)格圖Fig.14 Schematic diagram of radiusing-type hole and computational mesh grid of its exit

圖 15 不同長(zhǎng)寬比的橢圓孔出口Fig.15 Different configurations of elliptical or super-elliptical holes with various length-to-width ratios

除了以上一些典型的氣膜孔形狀之外，還有月牙形[38]、角形[39]、百葉窗形[40]、啞鈴形和豆形[41]、樹葉形[42]等孔形，這些新孔形無(wú)論在傳熱還是氣動(dòng)方面都有自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[43–44]，不過(guò)還需要進(jìn)一步研究。

結(jié)論及展望

異形孔已經(jīng)被證明其冷卻性能和氣動(dòng)性能均優(yōu)于圓柱形孔，基于后傾扇形孔而衍生出的各種孔形也擁有良好的氣膜冷卻性能，這些創(chuàng)新的設(shè)計(jì)為面對(duì)越來(lái)越嚴(yán)苛的熱防護(hù)要求所帶來(lái)的挑戰(zhàn)提供了很多可行的解決思路。但是迄今為止，異形氣膜孔研究方面還存在如下一些問題：

（1） 這些創(chuàng)新形孔的設(shè)計(jì)研究很少考慮工藝可行性，目前葉片異形孔的加工方法主要有電液束打孔、激光打孔、電火花打孔等。每種技術(shù)都有其各自的優(yōu)勢(shì)與缺陷，同一種孔形在不同工藝加工下會(huì)有不同的幾何精度、表面粗糙度、經(jīng)濟(jì)性等諸多指標(biāo)，所以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初就進(jìn)行全流程、全壽命考量是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

（2）孔形的仿真多以流道模型仿真居多，真實(shí)葉片模型仿真較少。試驗(yàn)以平板試件仿真居多，真實(shí)葉片試驗(yàn)較少。因此在數(shù)值分析和試驗(yàn)條件上與真實(shí)工況有差異。以后的數(shù)值模擬要建立整體葉片模型甚至附上渦輪盤在真實(shí)工況下進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于氣模冷效的測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)也要盡可能地真實(shí)還原發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的運(yùn)行工況。

（3）當(dāng)前，后傾扇形孔等經(jīng)典異形孔已經(jīng)可以滿足五代機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻特性需求，所以我國(guó)現(xiàn)階段異形孔的發(fā)展應(yīng)主要集中于經(jīng)典異形孔的數(shù)據(jù)庫(kù)完善上，盡可能地獲得其貼近真實(shí)工況的各項(xiàng)參數(shù)。新的孔形和附加結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)和新耐高溫材料的發(fā)展結(jié)合在一起考慮。

無(wú)論如何，新的孔形還需經(jīng)過(guò)更多的研究才能被實(shí)際應(yīng)用，但是新的孔形會(huì)啟發(fā)研究人員更多的設(shè)計(jì)思路，為更先進(jìn)的冷卻技術(shù)的出現(xiàn)打下基礎(chǔ)，如發(fā)散冷卻、等離子體冷卻等。同時(shí)新的孔形還可以反過(guò)來(lái)對(duì)制造技術(shù)提出更高要求，為發(fā)動(dòng)機(jī)葉片制造技術(shù)的發(fā)展提供路徑，促進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)制造水平進(jìn)一步提高。