张勃

南京航空航天大学能源与动力学院

在航空发动机高温部件冷却等场景中,复杂波系环境指压缩波、膨胀波等多类波系交织的流场。此环境下,波系、附面层与气膜出流的复杂干涉会扰动附面层,可能使其增厚或分离,破坏原有流动稳定性;气膜出流受波系压力波动影响,出流方向和速度改变,难以在部件表面形成均匀覆盖的冷却气膜。三者相互作用,还会引发局部流场参数剧烈变化,导致冷却效率不均,部分区域冷却效果减弱,甚至出现高温热点,威胁部件安全,因此需深入研究该干涉机制以优化喷管扩张段壁面冷却设计。

复杂波系环境下,波系、附面层研究的重要性

在航空航天、燃气轮机等高端装备领域,高温部件冷却性能直接决定设备运行效率与寿命,而复杂波系环境是这类装备流场的典型特征——激波与膨胀波交织形成的复杂波系,广泛存在于发动机燃烧室、涡轮叶片表面等关键区域。研究波系、附面层与气膜出流的复杂干涉对冷却特性的影响,具有极强的现实必要性与技术价值。

一方面,三者的复杂干涉会打破原有冷却系统设计预期:波系扰动导致附面层分离或增厚,气膜出流方向偏移、覆盖不均,进而引发局部冷却效率骤降,形成高温热点。若无法掌握干涉规律,轻则导致部件热疲劳损伤,缩短装备维护周期与使用寿命;重则引发部件烧蚀失效,直接威胁装备运行安全,甚至造成重大事故。

另一方面,随着装备向高推重比、高热力循环效率方向发展,流场复杂度进一步提升,传统冷却设计已难以适配。深入解析该干涉机制,能为冷却系统优化提供理论支撑——通过精准调控波系传播、稳定附面层流动、优化气膜出流参数,可突破现有冷却技术瓶颈,实现高效、均匀的热防护,助力高端装备性能升级,同时降低运维成本,具有显著的工程应用意义与经济价值。

复杂波系环境下,波系、附面层以及气膜出流复杂干涉对冷却特性的影响研究的难点

该研究面临三大核心难点:一是流场耦合复杂性高,波系、附面层与气膜出流间存在非线性相互作用,波系的瞬时性与附面层的黏性效应叠加,导致流场参数时空变化剧烈,传统数值模拟难以精准捕捉多物理场耦合过程;二是实验测量难度大,高温高压环境下,气膜覆盖形态、附面层厚度及波系传播轨迹难以通过常规传感器实时监测,易出现测量误差;三是规律量化困难,三者干涉对冷却效率的影响呈多参数耦合特征,难以剥离单一因素作用,导致冷却特性调控规律难以提炼。

对应的解决方案如下:在数值模拟方面,采用耦合大涡模拟与分离涡模拟的先进算法,引入自适应网格加密技术,提升对瞬态波系与黏性附面层的捕捉精度;实验测量上,结合粒子图像测速技术与红外热成像技术,实现流场速度场与温度场的同步可视化测量,同时开展热态条件下的纹影测试研究,发展压力、温度耦合影响下的波系测试技术;规律量化层面,构建波系-附面层-气膜出流耦合物理模型,通过控制变量法设计系列实验,结合机器学习算法挖掘关键参数与冷却效率的映射关系,为冷却系统优化提供精准的量化依据。

复杂波系环境下,波系、附面层以及气膜出流复杂干涉对冷却特性的影响的研究前景

复杂波系环境下波系、附面层与气膜出流干涉对冷却特性影响的研究,未来具有广阔且多元的发展前景。从理论层面看,随着多物理场耦合仿真技术与高分辨率实验手段的迭代,该研究有望突破现有流场干涉机制认知瓶颈,建立更精准的波系-附面层-气膜出流耦合理论模型,填补高温复杂流场下冷却特性调控的理论空白,为流体力学与传热学交叉领域提供新的研究范式。

技术应用层面,研究成果将深度赋能高端装备升级。在航空发动机领域,可据此发展超音速下的气膜冷却设计程序,实现对冷却结构的优化设计与快速评估,解决超音速冷却设计难题,显著提升喷管壁面等高温部件的冷却效率与使用寿命;在高超音速飞行器领域,能为热防护系统设计提供关键支撑,解决高速飞行中波系干扰导致的壁面局部过热问题,助力飞行器向更高速度、更长续航方向发展。

此外,该研究还具备跨领域拓展潜力。其核心技术可迁移至新能源领域的燃气轮机热管理、核工业设备的高温冷却等场景,同时推动新型耐高温材料、智能传感与控制技术的协同创新,形成“理论突破-技术转化-多领域应用”的良性循环,为国家高端装备制造与能源安全提供重要技术保障。

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