以渦輪葉片冷卻為背景的熱工流體綜合實驗探索

張 魏，李廣超

（沈陽航空航天大學航空發動機學院 遼寧 沈陽 110136）

實踐教學在工科專業教學中具有重要地位，是鍛煉學生運用基礎理論知識解決實際問題和培養創新人才的重要手段[1-5]。將多學科交融內容融入一個實驗內容，進行多學科交叉一體化的綜合實驗設計，可以培養學生綜合應用知識解決實際問題的能力[6]。目前的動力類專業實踐教學除了開設PVT實驗、噴管特性實驗、橫掠平板換熱實驗外，在一些高校還開設了先進的PIV實驗、液晶測溫實驗等[7]。這些實驗通常是驗證性的，學生被動理解課本中相關的基礎理論，不利于創造性思維能力的開發。在“工程教育專業認證”背景下，教師需要設計行之有效的實踐教學環節來激發學生對主動學習知識的興趣。

我國著名的熱流科學教育家何雅玲和陶文銓院士提出有所側重地將工程熱力學和傳熱學融為一體的教學思想[8]。而將熱流基礎課和專業課融合卻是一種新的想法。燃氣輪機原理是能源動力類和航空航天類專業的主要專業課之一。燃氣輪機渦輪葉片典型冷卻方式為內部強化換熱和外部氣膜冷卻相結合的復合冷卻[9]，將這種冷卻結構進行適當簡化后，利用相似原理設計成帶擾流肋的內通道與氣膜孔冷氣出流的復合冷卻結構，應用于本科實驗教學。冷卻特性設計涉及流阻、對流換熱和氣體狀態變化等熱流學科基礎知識。基于此，課程組針對飛行器動力工程專業和能源與動力工程專業開設了“熱工流體綜合實驗”獨立課程，將流體力學、傳熱學和工程熱力學以及燃氣輪機原理相關知識交融結合在一起，設計、搭建了應用于本科教學的開放性熱工流體綜合實驗臺，實驗裝置和測量方法允許學生動手改造，使實驗具有設計性特點，將多門課程的知識融合到一個綜合實驗課中，學生不僅能夠在專業氛圍中學習基礎知識，還可以在專業實踐中鍛煉運用基礎知識的能力。培養學生獨立主動分析和解決問題的能力，

1 熱工流體綜合實驗臺設計

熱工流體綜合實驗臺是以燃氣輪機渦輪葉片冷卻結構為參考，結合相關教學科研工作，將流體力學、傳熱學和工程熱力學涉及的部分基礎知識融入其中，由本文作者等相關教師開發研制的一套教學設備。如圖1 所示，渦輪葉片內部冷氣通道具有復雜的擾流肋和氣膜孔結構，是流阻和傳熱設計重點考慮的部位，氣膜孔噴出冷氣在外壁面形成氣膜冷卻。熱工流體綜合實驗臺示意圖如圖2 所示，由兩個交錯直通道組成，氣源分別由鼓風機提供。上通道模擬葉片外部燃氣流動，下通道模擬葉片內部冷氣流動，內壁可以布置不同尺寸和結構的肋條來實現粗糙壁面。沿著流動方向布置8 個壓力點，測量沿程壓力變化，通過水排進行壓力測量。通道內表面布置鋼帶加熱膜，通過直流電源產生等熱流密度邊界條件。在鋼帶壁面沿流動方向布置10 個熱電偶測量壁面溫度。采用速度探針測量速度，利用微壓計讀取壓差。圖3 為熱工流體綜合實驗臺照片。

圖1 燃氣輪機渦輪葉片冷卻結構

圖2 熱工流體綜合實驗臺示意圖

圖3 熱工流體綜合實驗臺照片

2 教學改革內容及特色

熱工流體綜合實驗內容包括基礎性對比驗證實驗、發動機葉片氣膜冷卻設計實驗、先進的壁面抽吸強化換熱實驗、流動傳熱數值仿真，以及開放性實驗，如圖4 所示（p76）。進行通道內流動阻力、換熱系數測量以及流動傳熱顯示，外部氣膜冷卻效率測量等。

圖4 熱工流體綜合實驗內容

基礎性對比驗證實驗：①自然對流傳熱實驗；②光滑管內強迫對流換熱實驗；③粗糙管內強迫對流換熱實驗；④光滑管流阻實驗；⑤粗糙管流阻實驗；⑥氣體狀態參數計算和應用。

通過以上實驗，鞏固學生對流體力學、傳熱學和工程熱力學基本定律的理解。在實驗過程中發揮主動性和創造性設計粗糙肋位置，而后進行實驗，并利用課本相關知識進行驗證（見圖4，p76）。

2.1 氣膜冷卻設計實驗

氣膜孔的出流使得燃氣和葉片表面之間增加了傳熱熱阻，可以減少燃氣向葉片表面的傳熱量，從而達到熱防護的目的。通過實驗以及前期相關資料的準備，讓學生了解和掌握氣膜冷卻的原理，了解實際工程中氣膜效率測量過程和方法以及數據的處理，加深對燃氣輪機熱端部件冷卻的認識。

2.2 壁面抽吸情況下流阻換熱實驗

壁面抽吸可以改變通道內的流量、破壞邊界層，改變通道流阻特性和換熱特性。通過對比通道壁面有無抽吸的流阻和換熱特性，加深對換熱強化和減阻物理機制的理解，并且提高學生設計和分析的能力。

2.3 流動傳熱數值仿真

學生利用計算流體力學軟件，針對實驗內容進行簡單數值仿真或虛擬實驗[10]，獲得詳細的流場和溫度場。計算模型可以簡化為二維結構。根據計算結果，觀察壁面附近速度和溫度變化規律，理解肋和氣膜孔對流動和傳熱的影響。

2.4 開放實驗室創新實驗

該實驗為選擇性內容，學有余力的學生根據興趣愛好，依托已有設備，提出實驗設想，在教師指導下設計內部強化換熱以及外部氣膜冷卻實驗并實施，達到鍛煉思維創造力的目的。

3 熱工流體綜合實驗的開展

目前學生運用理論知識能力較弱的一個原因是理論沒有很好地在實踐中體現。沈陽航空航天大學熱工流體綜合實驗課是在熱工課和專業課基礎上，以專業特色和工程應用為背景開設的一門基礎性、開放式、綜合型實踐教學課程。教學環節包括實驗方案設計、實驗儀器原理和使用方法講解、實驗過程操作及實驗數據處理等。每組實驗人數5―6 人，本著人人參與的原則，學生自主進行實驗任務分解和分工。課程持續一周：最初三天讓學生完成實驗設計、操作，數據處理和分析，之后利用一天時間針對實驗模型進行簡單的二維數值仿真，最后一天撰寫實驗報告。學有余力的學生在處理分析完實驗數據后，往往喜歡跟老師探討實驗結果，并且來實驗室反復做該實驗，或者做一些自己設計的開放性實驗。整個過程極大地鍛煉了學生的動手能力，調動了學習興趣，培養了創新意識。

預習在實驗過程中是非常重要的一個環節。在實驗周開始前一周左右給學生布置任務，讓學生復習相關知識，理解實驗測量目的，進行實驗方案設計和操作過程預演等。掌握需要測量參數的物理意義，充分了解測量參數所需要的實驗儀器，以及這些儀器的測量原理和操作方法，實驗過程中可能產生的誤差等等，并寫出預習報告。比如測量通道壁面傳熱系數，讓他們根據傳熱系數計算公式反推整個實驗過程。在這個過程中學生就會發現需要測量熱流密度，而熱流密度需要通過電源加熱產生，學生就要考慮用什么方法產生均勻的熱流密度。給定多大的電流和電壓。壁面溫度用什么來測量？如果用熱電偶，那么熱電偶的測溫原理、測量方法、熱電偶的布置以及熱電偶測量精度與什么有關等都需要掌握。測量傳熱系數用的是穩態測量方法，那么加熱量會不會損失，測量結果是否需要進行修正，怎么修正？等等。讓學生在充分預習并且撰寫預習報告的基礎上再進行實驗操作和后續數據處理，可以讓他們更好地理解基礎知識，更好地操作實驗過程，最終夯實學生的基礎知識、拓寬的學生思路、培養學生的創新意識。

內部通道換熱實驗中，實驗室提供用于粗糙壁面設計的方形肋條、梯形肋條、半圓柱肋條以及三角形肋條等多種粗糙元結構。學生設計粗糙元結構以及它們在通道內的排布方式。處理數據時，壁面熱流邊界需要考慮固體導熱和壁面與環境之間的輻射換熱，即將三種傳熱方式統一體現在實驗中，分析不同傳熱方式的傳熱量比例。氣膜冷卻實驗中給定合適的電源加熱量，使主流和二次流產生一定的溫差，讓學生測量兩通道氣體流速以及氣膜孔下游不同距離處的壁面溫度。以實驗件與主流溫差和冷氣用量兩項指標評價優劣。

以往課堂教學和實驗教學通常由不同教師承擔，流體力學、傳熱學、工程熱力學實驗的授課老師也可能不同，傳授的知識點相對獨立，不利于課堂教學與實踐教學的融合。熱工流體綜合實驗由相關課堂授課老師聯合進行指導，部分課堂內容在實踐教學中體現，實現了理論教學和實踐教學的結合。利用流體力學計算軟件讓學生開展簡單的仿真計算，并與相應實驗數據對比，從直觀上加深對流動傳熱物理現象的理解。直觀的流場和溫度場的顯示，可以激發學生學習的主觀能動性以及對熱流學科學習的興趣。圖5 和圖6 為學生自主設計布置并且計算出的粗糙矩形肋通道內部流場和溫度場分布圖。

圖5 通道內流場

圖6 通道內溫度場

4 結束語

教學效果表明，通過一周的實驗操作、數據處理，簡單的數值仿真計算，以及一周的課前預習，熱工流體綜合實驗課強化了學生對基礎理論知識的理解，培養了學生學習專業知識的興趣，提高了學生的實驗設計能力、動手操作能力和創新思維能力。實現了專業基礎課和專業課教學的結合，理論教學、實踐教學和工程應用的統一。