随着航空发动机设计技术的发展，为了追求更高的整机热效率，涡轮前的温度持续提高，已远超金属的熔点温度。为避免叶片烧蚀，叶片冷却技术大力发展，其中气膜冷却是为数不多的改变游戏规则的技术之一，它使目前的高燃烧温度、高效率在燃气涡轮发动机上得以实现。在气膜冷却高效应用方面，冷气流量的合理分配对于气膜冷却效果影响很大，通过气膜孔的冷气供应过多或不足都会导致冷却效果不佳，因此亟需提出高精度的气膜孔流量系数预测方法，实现冷气流量精确预测来满足涡轮叶片的冷却性能要求。对气膜孔流量系数的长期研究表明，流量系数受气膜孔几何参数、流动参数、进出口流动条件等多种因素影响。由于各个影响因素相互耦合，导致精准预测气膜孔流量系数成为气膜孔高效应用的难题。

    针对上述研究背景，工程热物理研究所先进燃气轮机实验室团队利用自主搭建的真实压比气膜孔流量系数试验平台，获取了多参数下新型扩张孔流量系数的试验数据。通过敏感性分析的方法提取了影响新型扩张孔流量系数的关键因素（图1），并利用关键参数进行了预测模型构建。首先利用无横流的试验数据，以压比和圆柱段长度为关键参数，构建了无横流条件下流量系数预测模型。随后在无横流模型的基础上采用射流与横流动量比为特征参数表征横流（图2），对横流条件下新型气膜孔流量系数进行修正，从而获取了横流条件下流量系数的预测模型，实现了宽域范围内孔流动阻力的统一表达，预测模型与实验误差在5%以内（图3），可为高热负荷涡轮叶片精细化流量分配提供重要支撑。

以上研究工作得到国家科技重大专项（2019-II-0022-0043）、国家自然科学基金优秀青年基金项目(N0.52122603)、国家自然科学基金青年科学基金项目(No.52106064)支持，相关研究成果已在《ASME Journal of Turbomachinery》发表。

    论文链接： https://doi.org/10.1115/1.4063366

图1 基于敏感性分析提取的关键参数

图2 基于射流横流动量比的横流修正模型

图3 气膜孔流量系数预测模型精度对比