《Case Studies in Thermal Engineering》：Orthogonal experimental study on the cooling performance of a effusion flat-plate film cooling structure considering structural and aerodynamic parameters
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针对先进军用航空发动机高温燃烧室中冷却空气流量受限及壁面热流显著增加的挑战，本研究系统研究了多个结构与气动参数对发散平板气膜冷却结构（effusion flat-plate film cooling structure）冷却特性的耦合影响。采用正交实验设计（o
针对先进军用航空发动机高温燃烧室中冷却空气流量受限及壁面热流显著增加的挑战，本研究系统研究了多个结构与气动参数对发散平板气膜冷却结构（effusion flat-plate film cooling structure）冷却特性的耦合影响。采用正交实验设计（orthogonal experimental design）方法，考察了孔径（De）、孔间距比（Pe/De）、切向孔倾角（βe）和壁厚（He）四个结构参数对冷却效率（cooling efficiency）和流量系数（flow coefficient）的影响。在此基础上，选取综合性能最优的结构构型，在不同吹风比（blowing ratio）和加热比（heating ratio）下进行气动参数试验。利用红外热像法（infrared thermography）和热电偶（thermocouple）获得了壁温分布和临界热流参数。极差分析表明，影响冷却效率最显著的结构参数为孔间距比和孔径，二者均与冷却效率呈负相关。对于流量系数，孔径是主导因素，呈正相关，从而凸显了冷却性能与流动性能之间的权衡关系。气动参数试验表明，对于优化结构，当吹风比从2增加到5时，下游稳定区的冷却效率从约0.70显著提升至0.77。相反，当加热比从2增加到3时，冷却效率从约0.70降至0.66。减小孔径和孔间距是提高发散冷却效率最有效的结构优化途径，但需要权衡其对流量系数的负面影响。结构一旦确定，适当增加吹风比可作为抵消主流温度上升（加热比增加）并维持壁面冷却效果的关键气动控制措施。该研究为高性能燃烧室冷却结构的设计与优化提供了实验数据和工程指导。
先进军用航空发动机燃烧室为满足高推重比需求，不断向高温升方向发展，导致壁面热流显著增大，而可用的冷却空气量却相对减少。发散冷却（effusion cooling）凭借低冷却气量、高冷却效率的优势，成为新一代燃烧室冷却结构的关键研究方向。然而，现有研究多采用单因素分析法，难以全面揭示多结构参数与气动参数对冷却性能的耦合影响。正交实验设计能够在有限实验次数下平衡各因素水平，适用于多参数筛选和优化。据此，研究人员以发散平板气膜冷却结构为对象，在统一实验框架下考察了孔径（D
e）、切向孔倾角（β
e）、孔间距比（P
e/D
e）和壁厚（H
e）四个结构参数对冷却效率（η
c）和流量系数（C
d）的影响，并对优选结构开展不同吹风比（M）和加热比下的气动参数实验。该研究发表于《Case Studies in Thermal Engineering》。
为探究结构参数的影响，研究人员采用L
18（2
1×3
7）混合水平正交表设计了18种试件，其中D
e取0.6、0.8、1.0 mm，β
e取25°、35°，P
e/D
e取2、5、8，H
e取1.5、2.0 mm，轴向倾角固定为20°，所有设计保持几何流量参数G
c=0.4。实验在主流温度600 K、冷气温度300 K、吹风比2的相同边界条件下完成。温度测量采用红外热像仪与热电偶结合的方式，分别获取壁面温度分布并交叉验证。极差分析用于确定各因素对响应变量的影响主次及优选水平。在结构参数实验基础上，选取综合性能最优的FS-S11方案，在吹风比2~5、加热比2~3范围内进行气动参数实验，考察其对冷却效率和流量系数的影响。
3.1 结构参数对发散平板冷却特性的影响
极差分析结果表明，对冷却效率而言，各因素的影响顺序为：孔间距比P
e/D
e > 孔径D
e > 壁厚H
e > 切向孔倾角β
e。当P
e/D
e从2增至8时，平均冷却效率由0.686降至0.638，表明更紧凑的孔排布局能强化冷气膜的横向覆盖与连续热防护。D
e从0.6增至1.0 mm时，冷却效率从0.670降至0.624，减小孔径可抑制射流“抬升”现象，改善近壁覆盖。H
e增加使冷却效率从0.678降至0.647，这归因于长径比增大导致沿程摩擦损失和速度衰减。β
e在25°~35°范围内的极差仅为0.002，影响可忽略。对流量系数而言，影响顺序为D
e > H
e > β
e > P
e/D
e。D
e从0.6增至1.0 mm时，流量系数从0.614升至0.687，因为孔径增大减弱了入口收缩和沿程阻力，使实际流量接近理论值。H
e从1.5增至2.0 mm时，流量系数从0.659降至0.637，较厚壁面促进了边界层发展和摩擦耗散。β
e和P
e/D
e对流量系数影响极小。总体上，冷却效率与流量系数呈现负相关趋势，体现出热防护与流动损失之间的权衡。
3.2 气动参数对发散平板冷却特性的影响
3.2.1 吹风比的影响
对优选结构FS-S11，当吹风比从2增至5时，冷侧实际流量维持在8.2~8.4 g/s，流量系数从0.602略升至0.615，表明吹风比增加增强了射流动量，削弱了系统阻力对流量系数的限制。冷却效率在稳定区从约0.70升至0.77，且入口段发展长度缩短，周期性峰值幅度增强，说明适当提高冷热侧动量比有助于提升气膜贴壁稳定性和下游热防护能力。
3.2.2 加热比的影响
当加热比从2增至3时，冷侧流量和流量系数基本不变（0.601~0.605），而冷却效率在稳定区从约0.70降至0.66。这是因为主流温度升高增大了壁面传热驱动温差，强化了热负荷，而流动边界几乎未变，表明加热比主要通过热力学方式影响冷却效率，而非改变流量特性。
综上所述，该研究通过正交实验系统揭示了结构参数与气动参数对发散平板冷却效率和流量系数的影响规律。结构优化中，减小孔径和孔间距是提升冷却效率的有效手段，但需权衡其对流量系数的负面影响；气动调节中，适量增大吹风比能抵消主流温度上升带来的冷却效率下降。研究结果可为航空发动机燃烧室高热负荷部件冷却结构的设计与工程应用提供实验依据和量化参考。
