【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及航空发动机，更具体的涉及一种基于航空发动机的辐射-对流耦合下的冷却结构综合冷效模化匹配方法、系统、设备和介质。
技术介绍
1、在航空发动机技术发展中的较长一段时间内，由于发动机热端部件的温度不足以引起较大的辐射效应，因此，人们在高温部件的热防护研究中更为注重导热-对流换热，而由于近年来航空发动机技术的不断发展，航空发动机的推力也被要求不断提升。而推力的增加则必然要求燃烧室的温度不断升高，由此带来的则是涡轮进口温度的不断提高，从发动机技术的发展情况来看，下一代新型发动机的涡轮进口温度甚至将达到2200k-2400k，而目前常见的镍基涡轮叶片的热承受能力在1500k-1600k之间，使得涡轮叶片热防护难度加大。为了满足日益剧增的性能要求，涡轮叶片中采用了各种冷却结构来确保热端部件的寿命和可靠性。内部冷却和气膜冷却是目前常用的重要冷却方式，综合冷却效率则通常被用来评估其冷却性能，其综合考虑了外部冷却、内部冷却、辐射换热及固体导热因素，能够综合表征冷却结构对涡轮叶片的冷却效果。
2、根据现有的研究表明，仅考虑导热-对流耦合换热，其数值模拟计算结果往往与实验产生较大偏差，无法实现针对涡轮叶片有效的热防护。当涡轮级中的气体温度约为2000k时，燃烧产物对叶片的辐射热通量可达到对流热通量的10%以上。近些年来，尽管我国众多学者不断的对热辐射进行研究且取得了不错的进展，但从总体上来看，国内的辐射换热研究仍落后于对流换热、导热-对流换热的研究。该类模化研究是目前少有的具有传热冷却设计指导性质的研究，但在这些研究中，学者们
3、目前，各学者对高温真实工况下的热端部件壁面温度的计算来源于两部分，一是基于典型的导热对流耦合下的仿真计算结果，二是将辐射因素单独考虑计算，若想对某高温部件的壁温进行计算，必须依靠典型导热对流下的壁温计算结果、单独计算辐射因素下的壁温计算结果两部分计算结果相加。
4、综上，在现有技术的综合冷效模化理论研究中，主要是将辐射因素单独考虑计算，折合成当量壁温与前者相加，使得计算结果产生的误差较大，不能充分反应真实的辐射对流耦合下的传热机理，影响匹配准确度。
技术实现思路
1、针对上述领域中存在的问题，本专利技术提出了一种冷却结构综合冷效模化匹配方法、系统、设备和介质，能够解决在现有技术的综合冷效模化理论研究中，主要是将辐射因素单独考虑计算，折合成当量壁温与前者相加，使得计算结果产生的误差较大，不能充分反应真实的辐射对流耦合下的传热机理，影响匹配准确度的技术问题。
2、为解决上述技术问题，本专利技术公开了一种冷却结构综合冷效模化匹配方法，包括以下步骤：
3、根据冷却结构的热端部件在辐射影响下的冷却过程，获得综合冷效表达式；
4、对综合冷效表达式进行分解，获得绝热冷却效率和辐射当量换热系数比；
5、根据绝热冷却效率和辐射当量换热系数比，采用玻尔兹曼数与布格尔数共同匹配辐射项，对辐射当量换热系数比进行转化，获得匹配后的冷却结构的绝热冷却效率和综合冷效表达式；
6、根据匹配后的冷却结构的绝热冷却效率和综合冷效表达式，得到模型的压力和辐射等效光学厚度；定义两种不同工况下的模型尺寸比并进行尺寸调整，通过改变两种不同工况下的辐射等效光学厚度，对冷却结构的玻尔兹曼数进行匹配；通过调整两种不同工况下的模型的压力数据，对冷却结构的布格尔数进行匹配。
7、优选地，所述获得综合冷效表达式，包括以下步骤：
8、假设冷却结构的壁面为一维导热且无内热源，则其导热控制方程为：
9、
10、冷却结构的冷气侧和燃气侧边界条件分别为：
11、
12、
13、得到综合冷效表达式为：
14、
15、其中，表示冷却结构的固体导热系数，δ表示冷却结构的壁面厚度，和分别表示冷却结构的冷气侧和燃气侧的壁面对流换热系数，表示冷却结构的辐射换热的当量对流换热系数，表示冷却结构的冷气在气膜孔入口处温度，表示冷却结构的主流燃气温度， t w表示冷却结构的壁面温度，表示冷却结构的绝热壁温，表示冷却结构在冷气侧边界条件的温度，表示冷却结构在燃气侧边界条件的温度；
16、无量纲化后整理，得到一维综合冷效表达式为：
17、
18、其中，为二次流从入口到出口的温升系数、为绝热冷却效率、为冷却结构的主流侧毕渥数。
19、优选地，所述对综合冷效表达式进行分解，包括以下步骤：
20、将得到的一维综合冷效表达式分解为二次流从入口到出口的温升系数、绝热冷却效率、主流侧毕渥数、主流侧和冷气侧换热系数比、辐射当量换热系数比，其中：
21、
22、
23、
24、其中，表示冷气在气膜孔出口处的温度，表示气膜板厚度， k表示气膜板导热系数。
25、优选地，所述获得匹配后的冷却结构的绝热冷却效率和综合冷效表达式，包括以下步骤：
26、用玻尔兹曼数与布格尔数共同匹配辐射项中的辐射当量换热系数比，其中：
27、玻尔兹曼数表征燃气辐射强度，布格尔数表征燃气辐射特性，玻尔兹曼数和布格尔数的表达式如下：
28、
29、
30、玻尔兹曼数分子、分母同时乘以主流燃气温度 t后，该表达式表征辐射热流密度与对流热流密度之比，得到：
31、
32、根据对流换热系数：
33、
34、辐射当量换热系数：
35、
36、得到绝热冷却效率和综合冷效表达式如下：
37、，
38、其中， bo1表示实际高温工况玻尔兹曼数， bo2表示实验室低温工况玻尔兹曼数， q h表示对流换热量， q r表示辐射换热量，为冷却结构的主流燃气温度，为耦合壁温，为绝热壁温，为二次流温度。
39、优选地，所述得到模型的压力和辐射等效光学厚度，包括以下步骤：
40、根据对流换热系数、辐射当量换热系数比和绝热冷却效率和综合冷效表达式，得到：
41、
42、结合辐射热流密度与对流热流密度之比，当玻尔兹曼数已匹配时则有：
43、
44、绝热冷却效率是根据主流雷诺数及动量比匹配的，即有，得到通过玻尔兹曼数 b o进行匹配，得到的玻尔兹曼数与布格尔数共同匹配辐射项是可靠的； 本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种冷却结构综合冷效模化匹配方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的冷却结构综合冷效模化匹配方法，其特征在于，所述获得综合冷效表达式，包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的冷却结构综合冷效模化匹配方法，其特征在于，所述对综合冷效表达式进行分解，包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的冷却结构综合冷效模化匹配方法，其特征在于，所述获得匹配后的冷却结构的绝热冷却效率和综合冷效表达式，包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的冷却结构综合冷效模化匹配方法，其特征在于，所述得到模型的压力和辐射等效光学厚度，包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的冷却结构综合冷效模化匹配方法，其特征在于，所述对综合冷效表达式进行分解还包括二次流从入口到出口的温升系数、内外侧换热系数比和主流侧毕渥数，还包括对二次流从入口到出口的温升系数、内外侧换热系数比和主流侧毕渥数进行匹配，包括以下步骤：
7.根据权利要求6所述的冷却结构综合冷效模化匹配方法，其特征在于，所述对冷却结构的布格尔数进行匹配，包括以下步骤：
<...【技术特征摘要】
1.一种冷却结构综合冷效模化匹配方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的冷却结构综合冷效模化匹配方法，其特征在于，所述获得综合冷效表达式，包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的冷却结构综合冷效模化匹配方法，其特征在于，所述对综合冷效表达式进行分解，包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的冷却结构综合冷效模化匹配方法，其特征在于，所述获得匹配后的冷却结构的绝热冷却效率和综合冷效表达式，包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的冷却结构综合冷效模化匹配方法，其特征在于，所述得到模型的压力和辐射等效光学厚度，包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的冷却结构综合冷效模化匹配方法，其特征在于，所述对综合冷效表达式进...
【专利技术属性】
技术研发人员：孟宪龙，刘存良，王斯仪，刘松，郭文，王一澄，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：
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