高速条件下涡轮叶片后缘切槽内外耦合流动的冷却与传热特性

《International Journal of Heat and Fluid Flow》：Coupled internal and external flow on cooling and heat transfer over a turbine blade trailing-edge cutback slot under high-speed conditions

　　

• 实验和仿真研究了切口槽的耦合冷却性能。
• 上游针翅仅在低压比下增强内部传热。
• 针翅尾流区域在高压比下削弱内部传热。
• 针翅涡旋减少了膜覆盖范围，但增强了外表面传热。

引言

现代燃气轮机在日益严苛的热工况下运行，由此产生的叶片金属温度超过了高温合金材料的发展温度极限。因此，先进的冷却技术对于保持叶片耐久性和发动机效率至关重要。在叶片的各个区域中，叶尖后缘区域对冷却设计构成了尤为严峻的限制，原因在于其壁面厚度小、冷却流道窄以及外部流场环境复杂（Han 等，2013）。该区域通常采用压力面切口膜冷却方式，其中从槽口排出的冷却气流对切口表面提供膜保护。同时，内部针翅也常被引入以促进局部对流传热，并作为薄后缘结构的机械支撑。

切口表面的流场本质上是非定常的，受冷却气流-主流相互作用控制。Schneider 等（Schneider 等，(2010)）使用大涡模拟方法表明，唇口下游的大尺度相干涡结构可诱发强烈的湍流输运，显著影响表面冷却效果。Yang 等（Yang 和 Hu，(2012)）采用压力敏感漆（PSP）和粒子图像测速（PIV）进行的实验测量也证实，切口表面的冷却分布与动态的冷却气流-主流相互作用有关。Du 等（Du 等，(2026)）采用热线风速仪研究了切口表面的瞬时流动特性，频谱分析表明升高的吹风比增加了涡脱落频率。Liu 等（Liu 等，(2025)）使用本征正交分解（POD）方法分析延迟 detached 涡模拟（DDES）结果，观察到三种相干涡结构。Zou 等（Zou 等，(2026)）采用 SBES 方法研究了跨音速主流条件下切口表面的冷却特性。同样观察到了冷却气流-主流相互作用，结果表明高主流马赫数增强了湍流耗散和涡破碎。

切口表面的冷却性能受外部几何参数及其所导致的冷却气流-主流相互作用的强烈影响。早期关于二维槽口冷却的研究表明，注入角、槽高和唇口厚度比是控制膜冷却效果的重要因素。Taslim 等（Taslim 等，(1992)）考察了注入角、槽长径比和唇口厚度比的影响，并证实唇口几何形状和注入方向在槽口近区冷却性能中起主导作用。

后续研究进一步阐明了唇口形状、陆地（land）构型和非定常流结构对切口表面冷却的影响。Horbach 等（Horbach 等，(2011)）通过评估传热系数、流量系数和绝热膜冷却效果，比较了几种唇口和陆地构型。结果表明，过厚的唇口会降低膜覆盖范围，而倒角唇口和陆地的存在则提高了冷却效果。Effendy 等（Effendy 等，(2016)）和 Liu 等（Liu 等，(2024)）的数值与实验研究表明，厚唇口几何结构改变了涡脱落，并增强了切口表面上的冷却气流-主流混合。结果表明，圆角唇口形状可延迟分离、削弱大尺度涡脱落并减少冷却气流-主流混合，从而保持更好的膜覆盖范围。切口表面上的陆地对冷却气流的扩散和相干涡结构也有显著影响。Yang 等（Yang 和 Hu，(2011)）表明，陆地能够稳定相邻陆地结构之间的冷却气流并改善局部冷却效果。然而，沿陆地产生的顺流涡对会限制冷却气流的下游横向扩散。Du 等（Du 等，(2021)）考察了四种陆地形状，发现收缩-扩张形状通过抑制反向旋转涡，在大多数吹风比下实现了更好的冷却气流覆盖。Xu 等（Xu 等，(2021)）进一步报道，在高吹风比下，斜面、圆角和锥形陆地在努塞尔数和绝热膜冷却效果方面均优于直线陆地。还开展了一些通过放置扰流器改善切口表面冷却性能的研究（Han 等，2026；Li 等，2024；Murata 等，2012；Yamamoto 等，2025；Ye 等，2021）。

除了切口表面的外部几何形状外，内部结构的布置对切口表面的冷却性能也有重要影响。Martini 等（Martini 和 Schulz，2004；Martini 等，2005a；Martini 等，2005b）考察了几种内部构型，包括肋片、两种不同的针翅阵列，并表明内部湍流促进器显著影响切口表面的排放行为和冷却效果。观察到的冷却气流膜分布随内部布置而变化，反映了冷却气流-主流混合的变化。Krueckels 等（Krueckels 等，(2009)）进一步在叶栅环境中证实了这些效应。Horbach 等（Horbach 等，(2011)）比较了圆形和椭圆形针翅阵列，发现针翅几何形状可同时影响流量系数、膜覆盖范围和传热行为。对于沿展向布置的椭圆形针翅，排放能力和膜覆盖范围性能下降，但传热水平增强。Wang 等（Wang 和 Yan，(2021)）进一步开展 DDES 研究，表明陆地的存在改变了冷却气流与主流的相互作用，且五行针翅布置实现了相对较高的冷却性能。Jia 等（Jia 等，(2024)）利用 DES 仿真比较了格架流道与传统肋片和针翅。结果表明，格架流道能够保持更高的冷却效果，偏转旋流射流影响冷却气流-主流混合过程。这些发现表明，切口表面的冷却性能与内部流结构也强烈耦合。

为阐明针翅诱导传热的流动机制，一些研究聚焦于孤立或单排针翅。Matsumoto 等（Matsumoto 等，(1997)）采用瞬态热致变色液晶测量，比较了从孤立针翅到单排和多排阵列的局部传热。对于单排阵列，由流通面积减小引起的流动加速（而非仅仅是马蹄形涡）主导了流场并控制了传热行为。Uzol 和 Camci（Uzol 和 Camci，2005）结合 TLC 和 PIV 测量研究了圆形和椭圆形针翅的交错排列，表明湍流分布和局部传热增强密切相关。Choi 等（Choi 等，(2007)）进一步研究了带倾斜角的短圆形针翅，结果表明下游尾流与马蹄形涡之间的相互作用行为受针翅倾斜角强烈影响，这产生了射流状高速区域，并在撞击壁面后产生局部传热增强。Montelpare 和 Ricci（Montelpare 和 Ricci，2004）采用红外热成像测量捕捉了具有圆形、方形、三角形和菱形截面的孤立短针翅周围的壁面传热行为，表明菱形和三角形针翅产生了更高的传热水平，因为更尖锐的截面轮廓诱发了更强的流动分离、尾流不稳定性 and 局部混合。除了针翅的几何参数外，类发动机工况（如交叉流和旋转）也受到了研究。Hwang 和 Lu（Hwang 和 Lu，2000）考察了带针翅阵列和横向排放的梯形通道，结果表明在纯横向排放条件下，传热水平和压损均达到较高值。Armellini 等（Armellini 等，(2011)）使用二维和立体 PIV 测量了静止和旋转条件下的流场。结果表明旋转促进质量流重新分布至前缘。Yeranee 和 Rao（Yeranee 和 Rao，2021）进一步综述了旋转内部冷却，强调旋转和浮力可改变内部冷却通道中的速度、湍流和温度分布。Park 等（Park 等，(2010)）报道了针翅通道在旋转条件下的热性能提升。Li 等（Li 等，(2025)）测量了旋转条件下的热性能因子和传热系数。其实验测量表明，旋转诱发非对称效应：后缘表面传热增强，前缘表面传热减弱。

尽管已有大量研究，但在高速度和高压比条件下，后缘切口槽的内部-外部耦合冷却行为仍未得到充分阐明。大多数切口表面实验的主流速度约为 20–60 m/s。冷却气流工况通过吹风比调节，典型范围为 0.5–2.0，对应的总压很少超过 1.10 atm（Martini 和 Schulz，2004；Murata 等，2012；Ye 等，2021）。针对这一问题，本研究考察了主流喉道马赫数为 0.65（230 m/s）、压比范围为 1.10 至 1.50 时，一个直线切口槽的冷却性能以及上游针翅的影响。对于内部槽道，对瞬态热致变色液晶数据进行处理以获得努塞尔数分布。对于外部切口表面，通过红外温度历史数据确定相对传热系数和绝热膜冷却效果。此外，基于大涡模拟方法开展了数值仿真以揭示流动机制。

实验方法

图 1 展示了实验装置，该装置是一个装备了简化后缘切口模型（而非线性叶轮机叶栅）的高亚音速风洞。实验系统由两条流路组成，均源自同一高压气源。沿主流流路，气体首先膨胀，随后经蜂窝整流器调节，最后经收缩段加速进入试验段。为提高入口流动均匀性……

数值方法

为进一步洞悉流动机制，进行了壁面模型大涡模拟（WMLES）。Shur 等（Shur 等，(2008)）于 2008 年提出了该方法，随后被 Singh 等（Singh 和 Tafti，(2012)）和 Bose 等（Bose 和 Park，(2018)）用于湍流传热研究。图 3 展示了数值域，该域复现了实验模型。在主流入口边界处，入口质量流量按照实验设置……

针翅对内部和外部冷却性能的影响

图 9 比较了 Base 和 PinFin1 模型的区域平均冷却性能。图 9(a) 展示了切口槽内部的努塞尔数以评估内部传热水平；图 9(b) 和图 9(c) 分别展示了绝热膜冷却效果和相对传热系数，用以表征切口表面的外部冷却性能。图 10 上部面板展示了 TLC 和红外测量区域……

结论

本研究考察了高速度条件下，带有与不带上游针翅的直线切口槽的内部和外部冷却性能。实验在压比 1.10–1.50 下进行，主流喉道马赫数维持在 0.65。采用瞬态热致变色液晶测量获得切口槽内部的努塞尔数分布，采用瞬态红外热成像测量……

CRediT 作者贡献声明

Yuan Li：撰写-初稿、可视化、验证、软件、方法学、研究、正式分析、数据管理。
Yu Rao：撰写-审阅与编辑、监督、资源、项目管理、方法学、经费获取、概念构思。
Yuli Cheng：撰写-审阅与编辑、方法学、研究、正式分析。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

致谢

感谢国家自然科学基金（编号 T2550190）、国家科技重大专项（2017-III-0009-0035）以及上海科技委员会国际科技合作计划（编号 24110712700）的支持。此外，感谢 Chi Zhongran 博士在 ANSYS 软件包方面提供的帮助。

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