《考虑气膜孔与编织结构干涉的复合材料气膜冷却研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。
中图分类号：V231.1论文编号：102870218-S081学科分类号：082502硕士学位论文考虑气膜孔与编织结构干涉的复合材料气膜冷却研究研究生姓名赵晓学科、专业航空宇航推进理论与工程研究方向传热与燃烧指导教师毛军逵教授南京航空航天大学研究生院能源与动力学院二О一八年三月 NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofEnergyandPowerEngineeringInvestigationonFilmCoolingofBraidedCompositesConsideringFilmHoleandBraidedStructureInterferenceAThesisinAerospacePropulsionTheoryandEngineeringbyZhaoXiaoAdvisedbyProf.MaoJunkuiSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofAcademicMarch,2018 承诺书本人声明所呈交的博/硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期： 南京航空航天大学硕士学位论文摘要本文首先在针对2.5维（2.5Dimensional，2.5D）编织型复合材料导热特性的研究中，根据2.5D编织型复合材料样件的编织结构几何参数建立了反映复合材料真实编织结构的全尺寸尺度几何模型，并在计算中从纱线尺度引入各个组分各向异性的导热系数。开展了复合材料样件加热实验验证了此计算方法的可靠性。在此基础上，研究不同尺度各向异性导热系数、复合材料编织几何结构的影响，充分认识了2.5D编织型复合材料的导热特性。研究结果表明，建立全尺寸尺度的几何模型，从纱线尺度引入复合材料各个组分各向异性的导热系数的数值计算方法是可靠的。2.5D编织型复合材料温度分布的特点与编织结构的特点相互对应。编织结构对整体热量传输的方向影响不大，但显著地影响了内部热量传递的路径。考虑到对2.5D编织型复合材料开展气膜冷却时，气膜孔不可避免的会与编织结构发生干涉，开展了考虑气膜孔与编织结构干涉的2.5D编织型复合材料平板气膜冷却实验研究，重点分析了吹风比、温比对2.5D编织型复合材料气膜冷却特性的影响。研究结果表明，随着吹风比的增加，气膜的附壁效果逐渐变差，气膜孔下游综合冷却效率较高区域的覆盖面积逐渐变小，气膜孔下游综合冷却效率不断降低。随着温比的降低，气膜孔下游综合冷却效率也不断降低。在以上研究的基础上，重点开展气膜孔与编织结构干涉的2.5D编织型复合材料气膜冷却共轭传热数值计算研究。验证了考虑2.5D编织型复合材料真实编织几何结构，并从纱线尺度引入2.5D编织型复合材料各个组分各向异性导热系数的气膜冷却共轭传热数值计算方法的可靠性。研究了不同尺度的各向异性导热系数、气膜孔与编织结构干涉、复合材料编织几何结构、复合材料平板厚度对气膜冷却效果的影响。研究结果表明，相比应用宏观尺度各向异性导热系数，从纱线尺度引入各向异性导热系数的计算方法，误差更小，精度更高。气膜孔与复合材料编织结构的相互干涉对气膜孔下游靠近气膜孔约2D范围内的综合冷却效果有明显的影响。编织几何结构的改变，明显地改变了固体域内部热量传播的路径，但是不同的编织几何结构对气膜冷却整体效果的影响不大。相对于改变复合材料的编织结构，改变气膜孔与编织结构的相对位置对气膜孔出口附近的冷却效果有更显著的影响。在同样的吹风比和温比工况下，随着固体域编织结构厚度的增加，将导致气膜冷却综合冷却效率随之增加。关键词：2.5D编织型复合材料、气膜冷却、共轭传热、各向异性导热系数、数值计算I 考虑气膜孔与编织结构干涉的复合材料气膜冷却研究II 南京航空航天大学硕士学位论文ABSTRACTInthispaper,anumericalsimulationofheattransfercharacteristicsof2.5Dimensional(2.5D)braidedcompositeswithfull-sizescaleisfirstcarriedout.Accordingtothegeometricparametersofbraidedstructureof2.5Dbraidedcomposites,afull-sizescalegeometricmodelreflectingtherealbraid-ingstructureofthecompositematerialisestablished.Inthecalculation,theanisotropicthermalconduc-tivityofeachcomponentisintroducedfromtheyarnscale.Compositesampleheatingexperimentsarecarriedouttoverifythereliabilityofthiscalculationmethod.Onthisbasis,theinfluenceoftheaniso-tropicthermalconductivityatdifferentscalesandthegeometricstructureofthecompositearestudied,andtheheattransfercharacteristicsofthe2.5Dbraidedcompositearefullyunderstood.Theresultsshowthatthenumericalcalculationmethodthatestablishesfull-sizescalegeometrymodelandintroducestheanisotropicthermalconductivityofthecompositematerialsfromtheyarnscaleisrelaible.Thecharac-teristicsoftemperaturedistributionof2.5Dbraidedcompositescorrespondtothecharacteristicsofbraidedstructure.Braidingstructurehaslittleeffectontheoverallheattransferdirection,butsignifi-cantlyaffectstheinternalheattransferpath.Filmholewillinevitablyinterferewiththebraidedstructurewhenthe2.5Dbraidedcompositesareappliedinfilmcooling.Onthebasisoffullyunderstoodtherelationshipbetweenbraidedstructureandtemperaturedistribution,the2.5Dbraidedcompositeflatpanelfilmcoolingexperimentswhichtaketheinterferebetweenthebraidedstructureandfilmholesintoconsiderationarecarriedouttoaccumulatefundamentalexperimentaldata.Theeffectsofblowingratioandtemperatureratioonthecoolingchar-acteristicsof2.5Dbraidedcompositesarealsostudied.Theresultsshowthatwiththeincreaseofblow-ingratio,thecoolingeffectisgettingworse,andthecoverageoftheareawithhighercoolingefficiencyinthedownstreamofthefilmholebecomessmallerandthecoolingefficiencyofthedownstreamofthefilmholedecreases.Withthedecreaseoftemperatureratio,thecoolingefficiencyofthedownstreamofthefilmholeisalsodecreasing.Basedontheaboveresearch,thenumericalcalculationofconjugateheattransferinfilmcoolingof2.5Dbraidedcompositeswithfilmholesandbraidinterferenceisemphasized.Thereliabilityofthe2.5Dbraidedcompositesflatpanelfilmcoolingconfugateheattransfernumericalcalculationmethodthatestablishesfull-sizescalegeometrymodelandintroducestheanisotropicthermalconductivityofthecompositematerialsfromtheyarnscaleisverified.Theeffectsofanisotropicthermalconductivityatdifferentscales,interferencebetweenfilmholeandbraidedstructure,braidedgeometryofcompositematerialandthicknessofcompositepanelonthecoolingeffectofgasfilmarestudied.TheresultsshowthattheanisotropicthermalconductivitycalculationmethodintroducedfromtheyarnscalehassmallerIII 考虑气膜孔与编织结构干涉的复合材料气膜冷却研究errorandhigheraccuracythanthemacroscaleanisotropicthermalconductivity.Theinterferencebe-tweenthefilmholeandthecompositebraidedstructurehasasignificanteffectontheoverallcoolingeffectintherangeofabout2Dnearthefilmhole.Thechangeofbraidinggeometryobviouslychangedthepathofheatpropagationinthesoliddomain,butdifferentbraidgeometryhadlittleeffectontheoveralleffectoffilmcooling.Relativetochangingthebraidingstructureofthecompositematerial,changingtherelativepositionofthefilmholeandthebraidedstructurehasamoresignificanteffectonthecoolingeffectneartheexitofthefilmhole.Underthesameblowingratioandtemperatureratioconditions,withtheincreaseofthethicknessof2.5Dbraidedcomposites,thecoolingefficiencywillbeincreased.Keywords:2.5Dbraidedcomposites,filmcooling,conjugateheattransfer,anisotropicthermalcon-ductivity,numericalcalculationIV 南京航空航天大学硕士学位论文目录第一章绪论..................................................................11.1研究背景..............................................................11.2航空发动机高温部件的气膜冷却技术.......................................21.32.5D编织型复合材料部件的冷却技术.....................................51.4研究现状小结...........................................................71.5本文的主要研究工作.....................................................7第二章2.5D编织型复合材料导热特性研究......................................92.1研究对象..............................................................92.2数值计算方法..........................................................122.2.1控制方程....................................................................................................................122.2.2计算模型....................................................................................................................122.2.3导热系数....................................................................................................................132.2.4边界条件....................................................................................................................152.2.5网格划分....................................................................................................................172.3计算结果分析..........................................................182.3.1宏观等效导热系数计算结果....................................................................................182.3.2不同尺度各向异性导热系数的影响.........................................................................192.3.3编织结构的影响........................................................................................................232.4计算结果验证..........................................................262.4.1等效导热系数测试实验............................................................................................272.4.2复合材料样件加热实验............................................................................................292.5本章小结.............................................................31第三章考虑气膜孔与编织结构干涉的2.5D编织型复合材料气膜冷却特性实验研究...333.1实验系统.............................................................333.1.1供气系统....................................................................................................................343.1.2加热系统....................................................................................................................343.1.3测量系统....................................................................................................................353.1.4实验件........................................................................................................................363.1.5实验测点....................................................................................................................383.2参数定义及实验工况....................................................393.3红外数据校准..........................................................413.4实验结果分析..........................................................423.4.1吹风比的影响............................................................................................................423.4.2温比的影响................................................................................................................453.5实验误差分析..........................................................483.5.1系统误差....................................................................................................................483.5.2随机误差....................................................................................................................493.5.3粗大误差....................................................................................................................49V 考虑气膜孔与编织结构干涉的复合材料气膜冷却研究3.5.4不确定度....................................................................................................................493.6本章小结.............................................................50第四章考虑气膜孔与编织结构干涉的2.5D编织型复合材料气膜冷却特性数值研究......534.1数值计算方法..........................................................534.1.1控制方程....................................................................................................................534.1.2湍流模型....................................................................................................................534.1.3湍流模型验证............................................................................................................564.1.4计算模型....................................................................................................................594.1.5边界条件....................................................................................................................674.1.6网格划分....................................................................................................................684.1.7导热系数....................................................................................................................704.1.8计算工况....................................................................................................................704.2计算结果分析..........................................................724.2.1计算方法验证............................................................................................................724.2.2不同尺度各向异性导热系数的影响.........................................................................734.2.3气膜孔与编织结构相干涉的影响.............................................................................774.2.4编织结构对气膜冷却特性的影响.............................................................................814.2.5厚度对气膜冷却特性的影响.....................................................................................854.3本章小结.............................................................89第五章总结与展望.............................................................915.1总结.................................................................915.1.12.5D编织型复合材料导热特性研究......................................................................915.1.2考虑气膜孔与编织结构干涉的2.5D编织型复合材料气膜冷却特性实验研究.915.1.3考虑气膜孔与编织结构干涉的2.5D编织型复合材料气膜冷却特性数值研究.925.2展望.................................................................93参考文献......................................................................95致谢..........................................................................101在学期间的研究成果及发表的学术论文...........................................103VI 南京航空航天大学硕士学位论文图清单图1.1涡轮叶片入口温度及冷却结构随年份的变化[25]............................................................3图1.2涡轮叶片冷却方式[26]..........................................................................................................3图1.3本文框架图...........................................................................................................................8图2.12.5D编织型复合材料样板..................................................................................................9图2.2纤维预制件的模型示意图.................................................................................................10图2.3表面编织结构放大图.........................................................................................................10图2.4X-Z平面编织结构示意图..................................................................................................10图2.5纱线示意图.........................................................................................................................11图2.6Geo1几何模型示意图........................................................................................................11图2.7Geo2几何模型示意图........................................................................................................11图2.8Geo3几何模型示意图........................................................................................................11图2.9考虑2.5D编织型复合材料真实编织结构的计算域模型示意图..................................12图2.10不考虑2.5D编织型复合材料真实编织结构的计算域模型示意图.............................13图2.11基体示意图.......................................................................................................................13图2.12经纱示意图........................................................................................................................14图2.13纬纱示意图........................................................................................................................14图2.14定温边界条件...................................................................................................................15图2.15绝热边界条件...................................................................................................................16图2.16第三类边界条件...............................................................................................................17图2.17网格示意图.......................................................................................................................18图2.18Case4表面②温度分布云图............................................................................................19图2.19Case5表面②温度分布云图............................................................................................19图2.20Cutplane的位置...............................................................................................................19图2.21Case4Cutplane1温度分布云图.....................................................................................20图2.22Case5Cutplane1温度分布云图.....................................................................................20图2.23Cutplane1区域①和区域④温度分布云图....................................................................20图2.24Case4Cutplane2温度分布云图.....................................................................................21图2.25Case5Cutplane2温度分布云图.....................................................................................21图2.26Cutplane2区域⑤和区域⑧温度分布云图....................................................................21图2.27Line1的温度分布............................................................................................................22图2.28Line2的温度分布............................................................................................................22图2.29编织结构示意图...............................................................................................................22图2.30Line1温差与定温边界温度的关系曲线........................................................................23图2.31Case12表面②温度分布云图..........................................................................................24图2.32Case12特征线Line1和Line2位置.............................................................................24图2.33Case5表面②温度分布云图............................................................................................24图2.34Case13表面②温度分布云图..........................................................................................24图2.35Case13特征线位置示意图..............................................................................................25VII 考虑气膜孔与编织结构干涉的复合材料气膜冷却研究图2.36Case12Cutplane2温度分布云图...................................................................................25图2.37Case5Cutplane2温度分布云图.....................................................................................25图2.38Case13Cutplane2温度分布云图...................................................................................25图2.39Case12、Case5、Case13Cutplane2区域①温度分布云图.......................................26图2.40闪射法导热仪...................................................................................................................27图2.41仪器结构示意图...............................................................................................................27图2.42激光闪射法原理图...........................................................................................................27图2.43导热系数测试样件...........................................................................................................28图2.44实验系统示意图..............................................................................................................29图2.45红外热像仪.......................................................................................................................29图2.46表面温度分布...................................................................................................................31图2.47Line1温度分布................................................................................................................31图2.48Line2温度分布................................................................................................................31图3.1试验系统示意图.................................................................................................................33图3.2空气压缩机.........................................................................................................................34图3.3储气罐................................................................................................................................34图3.4次流压气机.........................................................................................................................34图3.5加热器.................................................................................................................................34图3.6U型管压力计......................................................................................................................35图3.7不锈钢引压管......................................................................................................................35图3.8K型铠装热电偶..................................................................................................................35图3.9JK-48U多路温度测试仪....................................................................................................35图3.10涡街流量计.......................................................................................................................36图3.11玻璃转子流量计...............................................................................................................36图3.12主流转接通道的示意图...................................................................................................37图3.13气膜板实验件...................................................................................................................37图3.14气膜板示意图...................................................................................................................37图3.15红外数据校准...................................................................................................................41图3.16𝜃=0.9时不同吹风比下的壁面综合冷却效率...............................................................43图3.17𝜃=0.9气膜孔下游中心线综合冷却效率......................................................................44图3.18Z=1D展向气膜综合冷却效率......................................................................................44图3.19𝜃=0.85气膜孔下游中心线综合冷却效率....................................................................45图3.20𝜃=0.8气膜孔下游中心线综合冷却效率......................................................................45图3.21M=0.7不同温比下壁面综合冷却效率分布....................................................................46图3.22M=0.7不同温比下中心线综合冷却效率分布................................................................46图3.23X/D=1展向综合冷却效率分布........................................................................................47图3.24X/D=1展向平均综合冷却效率........................................................................................47图3.25X/D=3展向综合冷却效率分布........................................................................................47图3.26X/D=3展向平均综合冷却效率........................................................................................47图3.27X/D=10展向综合冷却效率分布......................................................................................47图3.28X/D=10展向平均综合冷却效率......................................................................................47VIII 南京航空航天大学硕士学位论文图3.29M=1.8不同温比下中心线综合冷却效率分布................................................................48图4.1𝛿𝑤示意图...........................................................................................................................56图4.2湍流模型验证的计算域示意图..........................................................................................56图4.3湍流模型验证的边界条件示意图......................................................................................57图4.4孔附近网格.........................................................................................................................57图4.5边界层网格.........................................................................................................................58图4.6气膜孔下游中心线综合冷却效率分布..............................................................................59图4.7X/D=1处展向综合冷却效率分布......................................................................................59图4.8应用于计算方法验证的计算域示意图.............................................................................60图4.9应用于计算方法验证的固体域和气膜孔位置的立体示意图.........................................61图4.10应用于数值计算方法验证的固体域和气膜孔位置的平面示意图...............................61图4.11应用宏观各向异性导热系数计算的计算域模型...........................................................61图4.12Hole-location2的计算域模型..........................................................................................62图4.13Hole-location2编织结构与气膜孔相对位置的立体示意图..........................................62图4.14Hole-location2编织结构与气膜孔相对位置的平面示意图..........................................63图4.15Hole-location3的计算域模型..........................................................................................63图4.16Hole-location3编织结构与气膜孔相对位置的立体示意图..........................................63图4.17Hole-location3编织结构与气膜孔相对位置的平面示意图..........................................63图4.18Hole-location4的计算域模型..........................................................................................64图4.19Hole-location4编织结构与气膜孔相对位置的立体示意图..........................................64图4.20Hole-location4编织结构与气膜孔相对位置的平面示意图..........................................64图4.21Geo1的计算域模型示意图.............................................................................................65图4.22Geo1的固体域示意图.....................................................................................................65图4.23Geo3的计算域模型示意图.............................................................................................65图4.24Geo3的固体域示意图.....................................................................................................66图4.25固体域厚度为2.8mm的固体域示意图.........................................................................66图4.26固体域厚度为6.4mm的固体域示意图.........................................................................66图4.27主流进口...........................................................................................................................67图4.28次流进口............................................................................................................................67图4.29出口..................................................................................................................................68图4.30对称边界条件...................................................................................................................68图4.31固体域以及气膜孔通道网格示意图...............................................................................68图4.32气膜孔附近区域的网格...................................................................................................69图4.33边界层网格.......................................................................................................................69图4.34不同网格密度的气膜孔下游综合冷却效率变化曲线...................................................69图4.35Case1气膜孔下游中心线上综合冷却效率....................................................................72图4.36Case2气膜孔下游中心线上综合冷却效率....................................................................72图4.37Case3气膜孔下游中心线上综合冷却效率....................................................................73图4.38Case1热壁面气膜综合冷却效率云图............................................................................73图4.39Case4热壁面气膜综合冷却效率云图............................................................................74图4.40Case1和Case4气膜孔下游中心线上综合冷却效率...................................................74图4.41Case2和Case5气膜孔下游中心线上综合冷却效率...................................................74IX 考虑气膜孔与编织结构干涉的复合材料气膜冷却研究图4.42Case3和Case6气膜孔下游中心线上综合冷却效率...................................................75图4.43Case1固体域X=0平面温度分布云图..........................................................................76图4.44Case4固体域X=0平面温度分布云图...........................................................................76图4.45Case1热壁面气膜综合冷却效率云图............................................................................77图4.46Case7热壁面气膜综合冷却效率云图............................................................................77图4.47Case10热壁面气膜综合冷却效率云图..........................................................................78图4.48Case13热壁面气膜综合冷却效率云图..........................................................................78图4.49Case1、7、10、13气膜孔下游中心线上综合冷却效率沿流向的分布规律..............78图4.50Case2、8、11、14气膜孔下游中心线上综合冷却效率沿流向的分布规律..............79图4.51Case3、9、12、15气膜孔下游中心线上综合冷却效率沿流向的分布规律..............79图4.52Case1固体域X=0平面温度分布云图...........................................................................80图4.53Case7固体域X=0平面温度分布云图...........................................................................80图4.54Case10固体域X=0平面温度分布云图.........................................................................81图4.55Case13固体域X=0平面温度分布云图.........................................................................81图4.56Case1热壁面气膜综合冷却效率云图............................................................................82图4.57Case16热壁面气膜综合冷却效率云图..........................................................................82图4.58Case19热壁面气膜综合冷却效率云图..........................................................................82图4.59Case1、16、19气膜孔下游中心线上综合冷却效率沿流向的分布规律....................83图4.60Case2、17、20气膜孔下游中心线上综合冷却效率沿流向的分布规律....................83图4.61Case3、18、21气膜孔下游中心线上综合冷却效率沿流向的分布规律....................83图4.62Case1固体域X=0平面温度分布云图...........................................................................84图4.63Case16固体域X=0平面温度分布云图.........................................................................85图4.64Case19固体域X=0平面温度分布云图.........................................................................85图4.65Case22热壁面气膜综合冷却效率云图..........................................................................86图4.66Case1热壁面气膜综合冷却效率云图............................................................................86图4.67Case25热壁面气膜综合冷却效率云图..........................................................................86图4.68Case1、22、25气膜孔下游中心线上综合冷却效率沿流向的分布规律....................87图4.69Case2、23、26气膜孔下游中心线上综合冷却效率沿流向的分布规律....................87图4.70Case3、24、27气膜孔下游中心线上综合冷却效率沿流向的分布规律....................87图4.71Case22固体域X=0平面温度分布云图.........................................................................88图4.72Case1固体域X=0平面温度分布云图...........................................................................88图4.73Case25固体域X=0平面温度分布云图.........................................................................88X 南京航空航天大学硕士学位论文表清单表2.1编织结构参数表.................................................................................................................11表2.2编织结构几何参数表（除n之外单位为mm）...............................................................11表2.3宏观等效导热系数计算工况表.........................................................................................16表2.4计算工况表.........................................................................................................................17表2.5网格独立性验证结果.........................................................................................................18表2.6宏观等效导热系数计算结果..............................................................................................18表2.7样件1导热系数测量结果.................................................................................................28表2.8样件2导热系数测量结果.................................................................................................28表2.9样件3导热系数测量结果.................................................................................................28表2.10宏观等效导热系数计算值与实验值对比.......................................................................28表3.1实验工况表.........................................................................................................................40表3.2红外校准数据表.................................................................................................................41表4.1低雷诺数k-ε模型常数值..................................................................................................54表4.2k-ε模型常数值....................................................................................................................55表4.3流动条件[86]........................................................................................................................57表4.42.5D编织型复合材料平板气膜冷却数值计算工况表....................................................71XI 考虑气膜孔与编织结构干涉的复合材料气膜冷却研究XII 南京航空航天大学硕士学位论文注释表A过流截面面积U速度矢量𝐴𝑐气膜孔横截面积总和𝑉̇体积流量𝐴ℎ主流通道横截面积𝑉𝑐次流冷却流体的速度A、B方向余弦矩阵𝑉ℎ主流热流体的速度C湿周长X计算坐标系X轴Cμ、Cε1、Cε2模型常数Y计算坐标系Y轴D气膜孔孔径Z计算坐标系Z轴Gr格拉晓夫数a热扩散系数L特征长度cp比热容M吹风比𝑑𝐷当量直径Nu怒赛尔数g重力加速度P压力h对流换热系数P1U型管压力计被测点压力k湍动能P2环境压力𝑚̇质量流量Pk生成项𝑚𝑐冷流体的质量Pr普朗特数𝑚ℎ热流体的质量Re雷诺数n编织结构层数T温度p气膜孔展向间距Tc次流冷却流体和的温度qave平均热流Tcamera红外温度t厚度Tcouple热电偶温度twarp经纱纤维束厚度𝑇ℎ主流流体温度tweft纬纱纤维束厚度速度矢量U在坐标轴x，y，z向𝑇𝑚定性温度u，v，w的分量𝑇𝑤壁面温度wwarp经纱纤维束宽度𝑇∞无限大空间空气温度wweft纬纱纤维束宽度XIII 考虑气膜孔与编织结构干涉的复合材料气膜冷却研究注释表(续)纱线导热系数主方向坐标系xλair空气导热系数x轴计算坐标系下各向异性的导𝑥1，𝑥2，···，𝑥𝑛独立变量λij（i，j=x,y,z）热系数矩阵纱线导热系数主方向坐标系yλm基体导热系数y轴纱线导热系数主方向坐标系zz𝜇动力粘性系数轴𝛼、𝛽、𝛾方向余弦角𝜇ℎ主流热流体的动力粘性系数𝛿𝑤距离壁面的距离𝜌密度Δdwarp同一层相邻经纱间距𝜌𝑐次流冷却流体的密度Δdwarp-weft相邻经纱与纬纱Y向间距𝜌ℎ主流热流体的密度Δdweft同一层相邻纬纱间距𝜌𝑛标准状态下气流的密度U型管压力计两端液面高度∆ℎ𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟𝜌𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟水的密度差∆𝑇ℎ、∆𝑇𝑐、∆𝑇𝑤𝑇ℎ、𝑇𝑐、𝑇𝑤的绝对误差σk、σε模型常数温度升高到最大值的一半所ε湍动能耗散率𝜏1/2需要的时间𝜂综合冷却效率ω湍动能耗散率𝜃温比注：采用国际单位制XIV 南京航空航天大学硕士学位论文缩略词CMC陶瓷基复合材料VARTM真空树脂传递模塑成型XV 考虑气膜孔与编织结构干涉的复合材料气膜冷却研究XVI 南京航空航天大学硕士学位论文第一章绪论1.1研究背景燃气轮机自问世以来，它的各方面的性能随着科学技术的发展不断提高，现已广泛地应用于航空、船舶、能源等领域[1]。现代高性能航空燃气涡轮发动机，其发展的主要目标为增加推重比，提高效率，降低油耗量以及减少排放污染。其中推重比作为表征高性能航空涡轮发动机最重要的参数之一，直接影响着航空发动机的性能。现如今推重比为10的第四代战机已经正式迈入服役阶段，未来第五代战机的推重比将达到15–20左右。提高航空涡轮发动机的推重比有两个方向，其一是通过提高燃烧室出口燃气的温度从而增加发动机循环输出功，其二则是尽可能地减少发动机的重量。自1960年来，燃烧室出口燃气温度以每年增长约20K的速度持续增加。现在推重比为10的航空涡轮发动机燃烧室出口的高温燃气温度已达到1850K–1950K，推重比为12-15的航空涡轮发动机的燃烧室出口燃气温度高达2100K–2300K[2]。发动机的核心部件，例如燃烧室、涡轮叶片等，直接受到高达1850K以上的高温炽热燃气的冲击。当今航空发动机中燃烧室火焰筒、涡轮叶片等高温部件广泛应用的是镍基耐热高温合金，而镍基耐热高温合金安全的极限工作温度仅为1200K–1300K[3]。同时，镍基耐热高温合金密度大，采用冷却技术后，航空涡轮发动机热端部件的机械结构又不可避免地十分复杂，从而导致航空发动机的重量大。这两个方面都逐渐不能满足现代高性能航空发动机向更高推重比发展的需求。20世纪70年代初，J.Aveston首次提出了纤维增强陶瓷基复合材料（CeramicMatrixCom-posite，CMC）的概念[4]。纤维增强陶瓷基复合材料由陶瓷基体和陶瓷纤维增强相组成。陶瓷纤维（例如C或SiC纤维）的增强作用，使裂纹在陶瓷基体传播的过程中发生偏转，因而大大改善了陶瓷基体的本征脆性，提高了CMC的强度和韧性。CMC不断成熟的制作工艺成功地增强了陶瓷材料的延展性、耐磨性以及抗蠕变性。此外，值得注意的是，纤维增强陶瓷基复合材料具有非常好的高温性能。资料显示纤维增强陶瓷基复合材料有望在2200℃温度范围内达到实用化[5]。并且纤维增强陶瓷基复合材料的密度仅为高温合金的1/4–1/3[6]。可以推测，若在航空涡轮发动机中应用纤维增强陶瓷基复合材料，将纤维增强陶瓷基复合材料作为耐高温金属合金的替代材料，不仅可以保证发动机力学性能，同时显著地提高了发动机核心部件的安全可靠工作温度范围，并且可以有效地降低发动机的重量，这些都非常有利于提高未来高性能航空发动机的推重比。法国Snecma公司生产的SiC/SiC纤维增强陶瓷基复合材料已成功地应用在了M-88喷气发1 考虑气膜孔与编织结构干涉的复合材料气膜冷却研究动机的喷管以及Hermes航天飞机上[7]。美国在F414发动机上开展了针对SiCf/SiC纤维增强陶瓷基复合材料制成的涡轮转动件相关的验证工作。近年来，国内在加强纤维增强陶瓷基复合材料的应用方面也取得了重大的关键进展。纤维增强陶瓷基复合材料已成功地应用在飞机刹车盘，燃烧室浮壁模拟件、尾喷管调节片等构件，针对低压涡轮导向器叶片、涡轮转子叶片等部件中的应用扩展也在稳步进行中。但从总体上看，国内对纤维增强陶瓷基复合材料在航空发动机上的应用研究才刚刚起步，仍处于初步应用阶段，急需加速建立技术储备。具体到纤维增强陶瓷基复合材料的结构类型，编织型复合材料是一类获得广泛关注的典型的纤维增强陶瓷基复合材料。在航空发动机领域，2维（2Dimensional，2D）层合复合材料[8]是较早地被得到应用的纤维增强编织型复合材料，但是其层间性能不够理想，并且不能很好地适应复杂的异形结构件的制作。后来出现的2.5D和3D编织型复合材料，具有较好的面内以及层与层之间的力学性能，目前逐渐地被应用在航空航天领域[9]。如3D编织型复合材料已经应用在耐高温、磨损结构件（如发动机涡轮叶片、喷管，燃烧室内衬等[10]-[12]），承载要求复杂的结构件（如螺旋桨、起落架等[13]-[16]），抗冲击、疲劳结构件（如航空发动机包容性机匣、定子叶片等[17]-[18]）。2.5D编织型复合材料是近年来发展起来的一种新型高性能编织复合材料，也是复合材料转子叶片的可选材料之一[19]。2.5D编织型复合材料的编织结构十分特殊，使得它不仅与3D编织型复合材料一样具有理想的剪切性能以及层间性能，而且2.5D编织型复合材料在异形结构件的制作方面有更大的优势，未来在航空、航天、船舶等行业的应用前景十分广泛[20]。尽管2.5D编织型陶瓷基复合材料的安全使用温度显著高于传统的镍基耐高温合金，但为了避免复合材料中各类增强相在高温下发生氧化反应导致增韧效果降低，将2.5D编织型陶瓷基复合材料应用于燃烧室火焰筒、涡轮叶片等高强度热负荷热端部件时，仍然需要对热端部件进行冷却。因此迫切需要针对2.5D编织型复合材料开展冷却技术研究，阐明不同冷却结构的工作效能，为2.5D编织型陶瓷基复合材料高温部件在航空发动机中的应用，提供重要的分析模型、基础数据和设计方法支撑。1.2航空发动机高温部件的气膜冷却技术目前各类金属基燃烧室火焰筒、涡轮叶片等热端部件已经应用了多种冷却技术。以图1.1和图1.2中所示的涡轮叶片中的冷却技术的发展为例，涡轮叶片的冷却方式包括简单的叶片腔内的对流冷却、扰流柱冷却、冲击冷却[21]-[22]、气膜冷却、以及将这些冷却方式相结合的复杂冷却结构[23]-[24]。气膜冷却技术是现代高性能航空燃气轮机火焰筒和涡轮叶片等热端部件中最有效的冷却方式之一。国内外学者对这种高效的冷却技术进行了大量的相关研究，系统而全面地阐述了影响2 南京航空航天大学硕士学位论文气膜冷却效果的因素。其中几何参数包括气膜孔几何形状[27]-[28]、孔排布方式[29]-[37]等等。当气膜冷却应用在真实的叶片上时，一些与主流以及壁面相关的参数也将会影响气膜冷却的效果。这些参数包括边界层厚度[38]-[42]、壁面曲率[43]、压力梯度[44]、自由流湍流度、表面粗糙度[44]等。图1.1涡轮叶片入口温度及冷却结构随年份的变化[25]冷却流体的入射角度对气膜冷却效果有重要的影响，较小的倾角有利于促进冷却射流与壁面保持附着，一般情况下该角度为25°−35°。但在实际应用中，由于加工工艺的限制或者几何的限制，也需要应用冷却流体入射角度较大的气膜冷却，甚至包括冷却流体垂直主流入射的情况。冷却流体入射方向与主流流动方向垂直，即90°入射的冷却射流，通常应用在叶片前缘以及燃烧室火焰筒中。图1.2涡轮叶片冷却方式[26]许多学者对垂直入射的气膜冷却开展了大量的研究，对比了垂直入射的气膜孔与倾斜入射的气膜孔在冷却效果上的差异，并讨论了吹风比对垂直入射的气膜冷却效果的影响。Foster和Lampard[46]比较了冷却流体为35°和垂直入射的情况。研究结果表明，入射角较小时在低吹风比下的冷却效果更好，在高吹风比下入射角度较大的气膜孔表现出更高的冷却效率。在吹风比M=0.5时，垂直入射气膜的冷却效率稍有下降；在较高的吹风比M=1.4的情况下，垂直入射气膜的冷却效率提高。Baldaufetal.[47]通过对比30°，60°，90°入射的气膜冷却得到了相似的结论。结果表明，在较高的吹风比（M>1.2），90°情况下平均冷却效率的峰值比30°入射的情况下高约60%，高吹风比下冷却效率增加的原因在于相对于30°的孔，90°气膜孔相邻射流之间存在更强的相互作用。Foster和Lampard[48]通过研究较高吹风比单排垂直于壁面的气膜冷却也得到了相3 考虑气膜孔与编织结构干涉的复合材料气膜冷却研究似的结果。除了气膜入射的角度和吹风比之外，冷、热流体的温度比也是一个影响气膜冷却效果的重要参数之一。杨晓军等[49]研究了温比对气膜与主流掺混区域影响。李广超等[50]利用数值模拟方法研究不同温比下双向气膜孔冷却特性分布，研究表明，不同吹风比下，温比对流动与传热的影响并不相同。袁瑞明[51]在研究中指出，冷、热流温度比的改变不仅导致密度比变化，而且反映出冷、热气流的热导率、比热容等热物性的变化。在气膜冷却的应用领域，一般情况下常采用多个气膜孔的阵列形式。减小气膜孔与气膜孔之间的展向间距（p），冷却流体的覆盖将加强，即被气膜覆盖的壁面面积将增多。但当展向间距过大时，相邻的气膜射流之间没有相互作用，每个气膜射流可视为单独作用。在这种情况下，单排孔的冷却效果可以通过单孔的情况得到。当气膜孔间距较小时，相邻的气膜射流之间存在不可忽略的相互作用，这时主流与冷却射流之间将存在更大的阻力。Schmidtetal.[52]对比了p/D=3以及p/D=6时的气膜冷却效率（D为气膜孔直径）。研究结果表明，p/D=3时的气膜冷却效率为p/D=6时气膜冷却效率的两倍，因此p/D=3时的气膜冷却效率可以通过叠加p/D=6的结果得到。这个结果表明，当p/D小于3时，冷却射流为相互作用的相互依赖的射流。Baldaufetal.[47]研究了p/D=2，3，5时的情况。Baldauf发现，M>1.2时，p/D=2的气膜冷却效率水平随着吹风比的增高而增加，而其他两种情况下气膜冷却效率降低。当p/D=2，孔间距已经足够小到气膜开始形成连续的对主流的阻断作用，类似于狭槽入射，这将抑制射流的分离，从而提高气膜冷却效率。上述关于气膜冷却的研究均是针对绝热壁面，即研究的是气膜绝热冷却效率。然而气膜覆盖的壁面温度还会被固体材料内部的热传导影响。Silieti等[53]用数值模拟的方法研究比较了绝热气膜冷却效率和综合冷却效率，模拟综合冷却效率时固体材料为不锈钢，研究结果表明固体材料的导热过程对气膜覆盖壁面的温度场分布具有明显的影响，并且流过气膜孔的用于冷却的流体会被加热。Ai和Fletcher[54]研究了靠近气膜孔以及远离气膜孔区域的共轭换热。在近孔区域，热量传递方向为由固体壁面传向进入气膜孔流出的冷却气体，这是由于该区域固体壁面的温度高于射流冷却气体的温度。相反地，在气膜孔下游较远区域，热量传递的方向则为由气体传向固体内部，因为该区域由于冷却气体已与主流燃气掺混，导致其温度高于固体壁面。Heidmann等[55]比较分析了高导热系数的高温合金和低导热系数的陶瓷两种材料涡轮叶片的冷却效果。研究结果表明，在叶片气膜冷却这样复杂的共轭传热过程中，热量传输的过程不仅仅是由燃气侧壁面到冷气侧壁面的简单一维过程。由于气膜覆盖的影响，固体材料内的热量传递十分复杂。4 南京航空航天大学硕士学位论文1.32.5D编织型复合材料部件的冷却技术2.5D编织型复合材料因具有理想的剪切性能以及层间性能，是近年来发展起来的一种新型高性能编织复合材料。其特殊的编织结构，使得在异形结构件的制作方面具有明显的优势。因而，在航空、航天、船舶等行业，2.5D编织型复合材料的应用前景十分广泛。由于2.5D编织型复合材料特殊的编织结构，将2.5D编织型复合材料应用于现代高性能的航空发动机中，将面临几个关键的问题。首先，区别于传统的均质的耐高温合金材料，2.5D编织型复合材料的导热系数在宏观尺度以及纱线尺度均具有显著的各向异性的特点，使得材料内部热量运输特性不同于导热系数为各向同性的情况。其次，编织型复合材料高温部件气膜冷却结构的研究中，气膜冷却复杂的流动传热特征和编织型复合材料内部各向异性导热的相互作用，给冷却结构设计带来了更高的难度和挑战。早期，学者们曾提出利用均匀化方法和热电类比法预估编织型复合材料的等效导热系数，进而支撑后续复合材料结构件的温度场计算等热分析研究。例如，Dasgupta[56]提出了双尺度渐近均匀化的方法，预测了平纹织物增强复合材料层合板的正交各向异性的导热系数。研究中用三维串并联热阻网络来求解织物组织中一个周期性重复单元的稳态传热。后来，有限元计算方法开始逐渐发展起来，并在编织型复合材料的等效导热系数计算以及温度场计算中得到广泛应用。Siddiqui[57]等利用有限元法建立了一种预测平纹编织型复合材料重复性单元的等效导热系数的方法。Gou[58]等通过应用不同的对称性，建立了三种尺度大小的代表性单元模型，预测了平纹编织型复合材料的等效导热系数。Jiang[59]在对3D编织型复合材料的等效导热系数以及温度场的预估当中，建立了一个考虑了真实纱线结构的代表性单胞模型。Liu[60]通过分析3D编织型复合材料微观结构的特征，选择了一个合理的代表性重复单元，有限元计算得到了等效导热系数。研究中指出，选择合理的编织结构复合材料微观结构模型，对于提高3D编织型复合材料热特性的有限元计算精度是至关重要的。以上这些利用有限元法计算编织型复合材料等效导热系数的研究中，通常先分析和简化复合材料的结构特征，然后选取具有代表性的体积单元（RVE，RepresentativeVolumeElement)作为研究对象。显然合理地选择RVE，构建能反映编织型复合材料实际微观结构特征的RVE模型，对提高等效导热系数的预估精度十分重要。目前虽然基于RVE的编织型复合材料等效导热系数的计算方法已经得到广泛地应用，但是仅在RVE尺度下的研究尚无法充分地认识和掌握编织型结构对热量传输特征的影响。近年来，在RVE方法的基础上，多尺度的研究方法逐渐发展起来。在力学性能方面，Wan等[61]用有限元方法，从纤维/基体尺度至复合材料全尺度，对3D编织复合材料准静态下以及高应变率载荷下的压缩性能开展了相关研究。Ji等[62]应用有限元方法，建立了多尺度编织结构几何模型，研究在不同尺度下材料的拉伸性能的变化。Tang等[63]应用自下而上的多尺度有限元方5 考虑气膜孔与编织结构干涉的复合材料气膜冷却研究法，提出了一种渐进破坏模型，用于材料的应力分析、失效分析。在复合材料粘弹性、沿轴向、偏轴向的拉伸性质的研究中也成功地应用了多尺度的研究方法。在传热特性方面，Shigang等[64]利用三维稳态传热有限元法分析了3D编织型复合材料的平面内以及面法向的等效导热系数。有限元分析在两个不同的长度尺度上进行，一个是与碳纤维直径相当的微尺度，一个是与碳纤维纱线相当的细观尺度。研究结果表明，多尺度的计算方法是一种有效的3D编织型复合材料的热特性分析方法，有助于3D编织型复合材料的热力学性质分析以及复合材料的结构设计。Dong等[65]应用多尺度方法研究了三维编织型复合材料平面内和以及垂直平面方向的热传导特征。首先计算微尺度下编织纱RVE的导热系数，再分别计算中尺度RVE和全尺寸的复合材料的导热行为。研究结果表明，温度分布和热流传播主要沿着纤维走向。相对于微尺度的RVE，全尺寸下计算得到的导热系数更接近试验值由于2.5D编织型复合材料出现的时间较2D和3D编织型复合材料晚，现仅有少量学者应用多尺度方法开展了相关研究。KaiDong等[66]通过对2.5D编织型复合材料结构的详细分析，建立了多尺度的有限元分析模型。微观尺度的模型包括基体-孔洞RVE和纱线-基体RVE，被用于计算基体和纱线的传热特性。中尺度的模型被用于分析2.5D编织型复合材料整体的热传导行为，包括温度以及热流的分布情况。多尺度的研究方法对理解和掌握结构复杂的编织型复合材料的传热特征提供了思路，并且研究结果表明全尺寸下的研究由于能真实地反映编织型复合材料复杂的结构特征而具有较高的精度。相比力学性能和导热系数等研究，在编织型复合材料的冷却结构研究领域，目前仅有极其少量公开文献。Zhong等[67]对完全编织的陶瓷基复合材料双层壁的多孔冷却结构进行了研究。在研究中，他们耦合计算了主流流动、背后冷气在壁面间的流动、冷气流经冷却孔进入主流、由于壁面导热冷气被加热的过程。研究结果表明，与绝热壁面相比，耦合计算的结果更接近试验值。Mehta等[68]对完全编织的SiC-SiC平板，耦合计算了多排气膜冷却。研究结果表明，完全编织的SiC-SiC平板中气膜孔容易加工，且其冷却效率显著高于目前基于超高温耐热合金的冷却技术。Tu等[69]针对导热系数各向异性的单向纤维增韧复合材料平板的气膜冷却，开展了相关数值计算。数值计算研究中比较了导热系数宏观各向同性和宏观各向异性下的气膜冷却效率。研究结果表明，不同的偏角工况下，由于材料内部不同方向上导热能力的差异，气膜冷却的综合效果出现了较明显的不同。侯亚东等[70]分别对2D，2.5D，3D编织复合材料开展了平板气膜冷却实验研究，并通过数值计算进一步分析了X、Y、Z三个方向导热系数的影响。研究结果表明，各向异性复合材料内部的温度梯度、传热量都与材料的导热系数特征有关。这些针对编织型复合材料冷却的研究中，或者是将编织型复合材料作为宏观各向同性的均质材料处理，或者是应用宏观的各向异性的等效导热系数。这些宏观上的简化处理并不能有效地反映出编织型复合材料真实的编织几何结构，从而无法深入阐明复合材料内部微观特征（如6 南京航空航天大学硕士学位论文纱线的细观尺度上的各向异性导热系数等）对气膜冷却的影响。目前学者们的研究已指出全尺寸尺度的研究方法，可以有效地体现编织型复合材料的结构特征，使得研究结果更接近真实值。1.4研究现状小结气膜冷却技术因其高效的冷却特性，是现代高性能航空燃气轮机火焰筒和涡轮叶片等热端部件中最有效的冷却方式之一。在各国学者的努力下，气膜冷却技术目前已得到广泛且深入的研究[71]。这些研究当中，应用较广泛的是绝热气膜冷却效率。实际上，气膜冷却是个气热耦合作用的过程。许多学者的研究结果也表明了在气膜冷却的研究中考虑固体域部分导热的必要性。尤其是当在气膜冷却技术应用在编织型复合材料时，固体域的传热特性因材料本身复杂的内部结构以及气膜冷却复杂的流动传热条件而表现得更加特殊，将进一步影响气膜冷却的特性。但目前在大多数研究中，固体域为均质材料，因而固体域材料具有宏观各向同性的导热系数。仅有极其少量的文献对固体域非均质的编织型复合材料的气膜冷却进行了研究。而这些研究仍然是将编织型复合材料作为宏观各向同性的均质材料处理，或者是应用宏观各向异性的等效导热系数。这些宏观上的简化处理并不能有效地反映出编织型复合材料真实的编织结构，从而无法有效地从细观的尺度考虑纤维各向异性的导热系数的影响。目前这方面的研究尚比较缺失。同时由于编织型复合材料复杂的结构特征，使得其内部导热特性不同于均质材料。目前学者们的研究已指出全尺寸尺度的研究方法，可以有效地体现编织型复合材料的结构特征，使得研究结果更接近真实值。在2.5D编织型复合材料气膜冷却的研究中，对编织型复合材料建立全尺寸尺度模型，从纱线的细观尺度引入各向异性的导热系数，可以体现出编织型复合材料应用在气膜冷却时材料内部的热量输运特征，在此基础建立相应的热分析模型，开展针对编织型复合材料热端部件冷却结构设计与优化的研究将更具有可靠性。但是目前尚没有相关文献在对编织型复合材料气膜冷却的研究中考虑到这一点，亟待开展这方面的研究，为针对编织型复合材料热端部件的冷却结构设计与优化的研究奠定基础。1.5本文的主要研究工作根据上述研究背景以及研究现状，本文的研究思路如图1.3所示。第一章介绍本文的研究背景，以及与本文研究内容相关的国内外研究现状。第二章进行2.5D编织型复合材料导热特性研究。在固体导热计算部分验证考虑2.5D编织型复合材料真实编织结构，并从纱线尺度引入2.5D编织型复合材料各个组分各向异性导热系数的计算方法的可靠性。在此基础上，研究不同尺度各向异性导热系数、复合材料编织几何结构的影响。充分认识2.5D编织型复合材料导热特性后，为第四章将要开展的考虑气膜孔与编织结构干涉的2.5D编织型复合材料气膜冷却数值计算研究奠定基础。7 考虑气膜孔与编织结构干涉的复合材料气膜冷却研究第三章开展考虑气膜孔与编织结构干涉的2.5D编织型复合材料的平板气膜冷却实验研究。研究吹风比、温比对2.5D编织型复合材料气膜冷却效果的影响。实验研究目的在于积累2.5D编织型复合材料的平板气膜冷却基础实验数据，为第四章将要开展的2.5D编织型复合材料气膜冷却共轭传热的数值计算方法验证提供实验数据支撑。第四章开展考虑气膜孔与编织结构干涉的2.5D编织型复合材料气膜冷却共轭传热数值计算研究。通过与第三章的实验数据对比，在气膜冷却共轭传热计算部分，验证考虑2.5D编织型复合材料真实编织结构，并从纱线尺度引入2.5D编织型复合材料各个组分各向异性导热系数的计算方法的可靠性。在此基础上研究不同尺度的各向异性导热系数、气膜孔与编织结构干涉、复合材料编织几何结构、复合材料平板厚度对气膜冷却效果的影响。第五章总结全文的研究内容以及结论，展望在文本研究的基础上可以进一步深入开展的研究工作。图1.3本文框架图8 南京航空航天大学硕士学位论文第二章2.5D编织型复合材料导热特性研究本章通过数值计算研究2.5D编织型复合材料的导热特性，为后续章节中2.5D编织型复合材料气膜冷却的研究奠定基础。提出了建立反映2.5D编织型复合材料真实编织几何结构，应用纱线尺度各向异性导热系数的数值计算方法。同时通过导热系数测试实验以及复合材料样件的加热实验，验证了所建立模型和计算方法的精度。在这个基础上，研究了编织几何结构，以及应用纱线尺度各向异性导热系数和应用宏观尺度导热系数的影响。2.1研究对象如图2.1所示为本文研究的2.5D编织型复合材料样板。后文将这3个样板分别记为样板1、样板2、样板3。样板1、样板2、样板3的厚度分别为2.5mm、3.3mm、6.4mm。样板1、样板2、样板3对应的编织几何结构参数不同，后文将测量3个样板的编织结构参数。将样板1、样板2、样板3对应的编织几何结构参数，分别记为Geo1、Geo2、Geo3。（a）样板1（b）样板2（c）样板3图2.12.5D编织型复合材料样板样板纤维束材料为SiC，基体采用的是LT-5028A型环氧树脂，LT-5028B型固化剂，应用真空树脂传递模塑成型（VARTM）制备工艺制成。VARTM制备工艺的固化成型时间少、模具复杂性低、成本不高、性能优异。此工艺在真空状态下完成，有助于去除空气，提高固化质量，形成致密的2.5D编织型复合材料。[77]-[78]2.5D编织型复合材料纤维预制件的模型示意图如图2.2所示。X轴为复合材料的宽度方向，Y轴为复合材料的厚度方向，Z轴为复合材料的长度方向。经纱呈波浪形弯曲，纬纱与经纱相互交错交织。经纱在长度方向（即沿Z向）穿过一个纬纱Z向间距的同时，在Y轴正向或Y轴负向穿过2层纬纱。图2.3左图为图2.1（b）样板2中红色方框标示区域的局部放大图。由图2.3左图可以看出，样板表面由图2.3右图红色虚线标出的重复单元构成。图2.4给出了图2.3所示表面编织结构的示意图，包括5根横向排列的经纱和5根纵向排列的纬纱，经纱和纬纱相互交织得到图中红色标示的结构作为一个重复单元。图2.4中wwarp为经纱纤维束宽度，wweft为纬纱纤维束宽度，9 考虑气膜孔与编织结构干涉的复合材料气膜冷却研究Δdwarp为同一层相邻经纱间距，Δdweft为同一层相邻纬纱间距。图2.2纤维预制件的模型示意图图2.3表面编织结构放大图图2.4X-Z平面编织结构示意图由于基体材料为透明的树脂，从样板上可以清晰的观察到图2.3所示的结构。为了建立反映样板真实编织结构的几何模型，在样板表面每次随机取20个区域，每个区域的大小包括图2.3和图2.4所示的相互交织的5根横向的经纱和5根纵向的纬纱，对编织结构参数wwarp、wweft、Δdwarp、Δdweft进行测量，取3次测量的平均值作为测量结果。除上述参数外，确定编织结构几何模型需要的参数还包括，经纱纤维束厚度twarp，纬纱纤维束厚度tweft，以及相邻经纱与纬纱Y向间距Δdwarp-weft，样板编织结构的层数n。经纱纤维束厚度twarp，纬纱纤维束厚度tweft，以及样板编织结构的层数n由厂家提供。最后根据样件的实际厚度和样板编织结构的层数，即可确定相邻经纱与纬纱Y向间距Δdwarp-weft。表2.1中总结了所有编织结构参数的参数名以及对应的参数说明。10 南京航空航天大学硕士学位论文表2.1编织结构参数表序号变量名变量说明1wwarp经纱纤维束宽度2wweft纬纱纤维束宽度3twarp经纱纤维束厚度4tweft纬纱纤维束厚度5Δdwarp同一层相邻经纱间距6Δdweft同一层相邻纬纱间距7Δdwarp-weft相邻经纱与纬纱Y向间距表2.2中列出了3个样板详细的编织结构几何参数值。从表中可以看出，Geo3中wweft、Δdweft与Geo1和Geo2有较大的区别，从而Geo3中Z向纱线排布最密集。表2.2编织结构几何参数表（除n之外单位为mm）编号实际厚度nwwarpwwefttwarptweftΔdwarpΔdweftΔdwarp-weftGeo12.505031.840.20.2360.1375Geo23.292051.830.20.2370.1Geo36.3460111.81.80.20.232.50.075根据表2.2中的编织结构几何参数值，并假设纱线的横截面为如图2.5所示的六边形，即可建立本文研究的2.5D编织型复合材料样板的几何模型。图2.6–图2.8所示为3个样板Y向横截面大小为10mm×10mm的几何模型示意图。为便于观察内部编织结构，图中隐藏了基体部分。图2.5纱线示意图图2.6Geo1几何模型示意图从图2.6–图2.8可以看出，与图2.2所示的2.5D编织型复合材料纤维预制件的模型特征一致，经纱呈波浪形弯曲，纬纱与经相互交错交织。经纱在长度方向（即沿Z向）穿过一个纬纱Z向间距的同时在Y轴正向或Y轴负向穿过2层纬纱。图2.7Geo2几何模型示意图图2.8Geo3几何模型示意图11 考虑气膜孔与编织结构干涉的复合材料气膜冷却研究2.2数值计算方法本章的计算均基于全尺寸尺度，根据固体域是否考虑2.5D编织型复合材料真实编织几何结构分为两种情况。考虑真实编织几何结构时，计算中将从纱线尺度引入各向异性的导热系数，计算内容包括获得复合材料的宏观等效导热系数，以及获得2.5D编织型复合材料的导热特性。不考虑真实编织几何结构时，将应用宏观等效导热系数进行导热特性的计算研究，计算结果将用于研究不同尺度各向异性导热系数对计算结果的影响。本小节拟从控制方程、计算域、边界条件、材料属性、网格划分这几个方面介绍本章数值计算方法。2.2.1控制方程本章计算部分应用商业软件COMSOLMultiphysics的Heattransferinsolids模块进行稳态、无内热源条件下的2.5D编织型复合材料的固体传热计算。控制方程如下。2222TTTTXX2YY2ZZ2XYYXXYZXY（2-1）22TTXZZXYZZY0XZYZ其中，λij（i，j=X,Y,Z）为计算坐标系下各向异性的导热系数矩阵，T为温度。计算坐标系下，X轴沿复合材料的宽度方向，Y轴沿复合材料的厚度方向，Z轴沿复合材料的长度方向。2.2.2计算模型图2.9所示为考虑2.5D编织型复合材料真实编织结构情况的计算域模型示意图。图中可以看到复杂的编织几何结构，纱线与基体紧密接触，计算中不考虑接触热阻。当研究中的编织几何结构改变时，计算域模型中的编织结构随之改变，但计算域模型的宏观尺寸是相同的。图2.9中的计算域模型根据表2.2中列出的样板2的编织几何参数建立。Z方向的长度为35mm。Y方向的长度为样板2的实际厚度，具体数值为3.3mm。X方向取一个周期的长度，具体数值为4.8mm。图2.9考虑2.5D编织型复合材料真实编织结构的计算域模型示意图图2.10所示为不考虑2.5D编织型复合材料编织结构的计算域模型示意图。由于不考虑复合材料的编织结构，图2.10所示的计算域结构非常简单。图2.10计算域的大小与图2.9中计算12 南京航空航天大学硕士学位论文域大小一致，Z方向的长度为35mm，Y方向长度为3.3mm，X方向长度为2.8mm。图2.10不考虑2.5D编织型复合材料真实编织结构的计算域模型示意图2.2.3导热系数2.2.3.1纱线尺度各向异性导热系数设置方法（1）基体图2.11所示的是基体的示意图。本文中基体的材料为环氧树脂。基体的导热系数具有各向同性的特点，本文取基体的导热系数λm=0.2W/(m∙K)[79]-[81]。图2.11基体示意图（2）纱线本文中经纱和纬纱均是由连续长纤维构成的SiC纱线。SiC纱线的导热系数为横观各向同性。即沿纱线轴向（本文记为z轴）导热系数最大；与纱线轴向垂直的另外两个方向（本文分别记为x轴和y轴），导热系数大小相等。由此建立坐标系也成为纱线的主方向坐标系，如图2.5所示。本文中SiC纱线导热系数取𝜆𝑧=9.66W/(m∙K)，𝜆𝑥=𝜆𝑦=1.48W/(m∙K)。[82]接下来本小节将分别介绍如何从纱线尺度引入经纱和纬纱各向异性的导热系数。图2.12中蓝色为一根经纱，可见经纱由平直段和弯折段组成。平直段和弯折段的主方向坐标系不同，需分别设置导热系数。平直段纱线主方向坐标系与计算坐标系一致。因此经纱平直段各向异性的导热系数矩阵为：XXXYXZ1.4800YXYYYZ01.480（2-2）009.66ZXZYZZ13 考虑气膜孔与编织结构干涉的复合材料气膜冷却研究图2.12经纱示意图经纱弯折段纱线主方向坐标系与计算坐标系不一致。这种情况下，需经坐标转换后，才能使主方向坐标系导热系数适用于计算坐标系。式（2-3）、（2-4）、（2-5）中给出了计算坐标系中导热系数与主方向坐标系中导热系数的关系[82]。式中，𝛼、𝛽、𝛾表示：主方向坐标系绕X轴旋转角度𝛼，再绕Y轴旋转角度𝛽，最后绕Z轴旋转角度𝛾后与计算坐标系重合。（其中角度逆时针为正，顺时针为负）。A、B为方向余弦矩阵。XXXYXZxYXYYYZABy（2-3）ZXZYZZzcoscoscossincossinsinsinsincossincosAsincoscoscossinsinsincossinsinsincos（2-4）sincossincoscosTBA（2-5）图2.13为纬纱示意图，纬纱的主方向坐标系和计算坐标系一致，同理可得纬纱各向异性的导热系数矩阵为：96600XXXYXZYXYYYZ01.480（2-6）00148ZXZYZZ图2.13纬纱示意图14 南京航空航天大学硕士学位论文2.2.3.2宏观尺度各向异性导热系数设置方法固体域部分不考虑2.5D编织型复合材料的编织结构时，计算中应用宏观尺度各向异性的导热系数，导热系数矩阵只需给出沿计算坐标系三个方向的导热系数λX、λY、λZ即可，具体的数值将在2.3.1小节中给出。2.2.4边界条件数值计算中的边界条件应根据具体的计算内容进行设置。包括以下两个方面，第一个部分为计算得到2.5D编织型复合材料的宏观等效导热系数。第二个部分为通过数值计算，分析并掌握2.5D编织型复合材料的导热特性。2.2.4.1宏观等效导热系数计算边界条件本小节以计算Y向的宏观等效导热系数为例，说明宏观等效导热系数计算部分边界条件的设置方法。（1）定温边界条件如图2.14所示的边界①、边界②设置为定温边界条件，本文中边界①设定为293.15K、边界②设定为393.15K。图2.14定温边界条件（2）绝热边界条件如图2.15所示的边界③、边界④、边界⑤、边界⑥设置为绝热边界条件[82]。15 考虑气膜孔与编织结构干涉的复合材料气膜冷却研究图2.15绝热边界条件表2.3中详细地总结了宏观等效导热系数的计算工况以及对应边界条件的设置。Case1、2、3分别用于计算X、Y、Z向的宏观等效导热系数。表2.3宏观等效导热系数计算工况表Case序号边界①边界②边界③边界④边界⑤边界⑥定温定温1绝热绝热绝热绝热393.15K293.15K定温定温2绝热绝热绝热绝热293.15K393.15K定温定温3绝热绝热绝热绝热293.15K393.15K2.2.4.2导热特性计算边界条件本小节以某一计算工况（即下文中的Case6）边界条件的设置为例，说明2.5D编织型复合材料导热特性研究部分数值计算边界条件的设置方法。（1）定温边界条件如图2.14所示的边界①设置为定温边界条件，给定温度值为110℃。（2）第三类边界条件如图2.16所示的边界②③④设置为第三类边界条件。对流换热系数h=12.55W∙𝑚−2𝐾−1。16 南京航空航天大学硕士学位论文图2.16第三类边界条件（3）周期边界条件如图2.15所示边界⑤、边界⑥，根据周期性，设置为周期边界条件。表2.4总结了导热特性研究部分数值计算的具体工况。Case4的计算中应用Case1–Case3计算得到的宏观等效导热系数，Case5的计算中应用纱线尺度的各向异性导热系数，通过对比Case4和Case5的计算结果研究不同尺度各向异性导热系数的影响。Case5–Case11的计算域模型相同，边界条件仅边界①给定的定温边界条件数值不同，本章将通过计算Case5–Case11获得2.5D编织型复合材料在不同定温边界条件下的温度场分布，研究2.5D编织型复合材料的导热特性。Case5、Case12、Case13的计算域厚度相同，编织几何结构分别为Geo2、Geo1、Geo3，本章将通过Case5、Case12、Case13研究编织结构对2.5D编织型复合材料导热特性的影响。表2.4计算工况表Case序号编织结构样件厚度/mm边界①边界②③④边界⑤⑥4无710℃5geo2710℃6geo2110℃7geo2210℃8geo2310℃自然对流边界条件周期边界3.39geo2410℃h=12.55W∙𝑚−2𝐾−1条件10geo2510℃11geo2610℃12geo1710℃13geo3710℃2.2.5网格划分本章数值计算均采用自由四面体网格。如图2.17所示为考虑2.5D编织型复合材料真实编织结构时整体网格的示意图。图中可以看出，为了精确地捕捉不同组分接触面之间的热量传递，对这部分区域的网格进行了细化。由于除Case4之外的工况都考虑2.5D编织型复合材料复杂的真实编织结构，正式计算前对这种情况下的工况先开展了网格独立性验证研究。一共划分了17 考虑气膜孔与编织结构干涉的复合材料气膜冷却研究三套不同密度的网格，网格单元数分别为37692，221264，946933。分别应用网格密度不同的这三套网格对Case5进行计算，并对比了表面②温度的最大值的差异，其结果如表2.5所示。从表中可以看出，当网格量由37692增加至946933时，表面②温度的最大值仅变化0.09K，说明本章的计算对网格的敏感性很低。因此综合考虑计算资源以及计算耗时，本章选用表中所示编号为2的网格进行本章的数值计算研究，并将同等密度的网格应用于不考虑2.5D编织型复合材料编织结构的Case4中。图2.17网格示意图表2.5网格独立性验证结果网格编号网格单元数表面②温度最大值/K137692905.292221264905.233946933905.202.3计算结果分析2.3.1宏观等效导热系数计算结果Case1–Case3计算完成后，宏观等效导热系数可由式（2-7）、（2-8）、（2-9）得出：X00048qXave/100（2-7）Y00034qYave/100（2-8）Z0.035qZave/100（2-9）式中，𝑞𝑋𝑎𝑣𝑒、𝑞𝑌𝑎𝑣𝑒、𝑞𝑍𝑎𝑣𝑒分别表示法向为X、Y、Z的中截面上的热流密度的平均值。表2.6列出了宏观等效导热系数的计算结果。表2.6中的结果将应用于本章Case4以及第四章宏观各向异性情况下的2.5D编织型复合材料气膜冷却共轭传热数值计算中。表2.6宏观等效导热系数计算结果等效导热系数计算结果λX/W∙m-1∙K-11.90893λY/W∙m-1∙K-10.33478λZ/W∙m-1∙K-10.8175818 南京航空航天大学硕士学位论文2.3.2不同尺度各向异性导热系数的影响图2.18和图2.19所示分别为case4和case5工况下表面②的温度分布云图。由图2.18可以看出，图中用黑色方框标示出的表面②的中心区域，整体温度分布均匀。由图2.19可以看出，图中局部温度值较高，局部温度值较低，表现出明显的温度分布不均匀的特点。图2.18Case4表面②温度分布云图图2.19Case5表面②温度分布云图在固体域内部选择了两个特征面Cutplane1和Cutplane2，如图2.20所示。Cutplane1仅穿过所有的纬纱。Cutplane2不仅穿过所有的纬纱，同时穿过计算域中间的4层经纱。Cutplane2Cutplane1图2.20Cutplane的位置图2.21和图2.22给出了case4和case5工况下Cutplane1截面上温度分布云图。对比图2.21和图2.22可以看出，整体上，两者热量传递的方向是一致的。热量传递均是由下方高温区19 考虑气膜孔与编织结构干涉的复合材料气膜冷却研究以辐射状向边缘低温区传递。图2.21Case4Cutplane1温度分布云图图2.22Case5Cutplane1温度分布云图虽然整体上，Case4和case5热量传递的方向是一致的，但是热量传播的路径有明显的差异。根据case5中Cutplane1编织结构的特点，将Cutplane1分为如图2.22所示的8个区域。图2.23中（a）、（b）分别给出了Case4和Case5工况下，Cutplane1区域①和区域④的温度分布云图。图（a）中，Case4和Case5温度的最大值相等，均为983.15K。温度的最小值Case4比Case5高，Case4为868.07K，Case5为852.41K。图（b）中同样可以观察到这个现象。其原因在于图（a）、（b）中，Case5考虑了编织材料真实的编织结构，在区域①和区域④内基体的组分最大，而基体的导热系数是Case4和Case5中最小的，因而Case5的热阻较大，温度最大值与最小值的差值较大。除此之外，由图2.23还可以发现，编织结构影响热量的传播路径。图（a）中，Case5的等温线在编织结构内角度改变，图（b）中Case5的等温线由于纬纱的影响而不再平直，这是Case5考虑了编织材料真实的编织结构，各个组分的各向异性的导热性能造成的。图2.23Cutplane1区域①和区域④温度分布云图图2.24和图2.25给出了Case4和Case5工况下Cutplane2温度分布云图。对比图2.24和20 南京航空航天大学硕士学位论文图2.25可以看出，整体上，两者热量传递方向是一致的。热量传递均是由下方高温区以辐射状向边缘低温区传递。图2.24Case4Cutplane2温度分布云图图2.25Case5Cutplane2温度分布云图虽然整体上，Case4和case5热量传递的方向是一致的，但是热量传播的路径有明显的差异。根据Case5中Cutplane2编织结构的特点，将Cutplane2分为如图2.25所示的8个区域。图2.26中分别给出了Case4和case5工况下，Cutplane2区域⑤和区域⑧的温度分布云图。与图2.23类似，可以发现，图（a）中，Case4和Case5温度的最大值相等，均为983.15K。温度的最小值Case4比Case5高，Case4为902.09K，Case5为890.09K。图（b）中同样可以观察到这个现象。与图2.23相比，图2.26中编织结构的组分虽然变大了，但是编织纱线的导热性能优于基体，导热热阻仍然主要取决于基体，因而Case5的热阻仍然较大。除此之外，由图2.26中同样可以发现，编织结构影响热量的传播路径。图（a）、图（b）中，Case5的等温线在经纱弯折段内角度发生明显改变，同样是由于Case5考虑了编织材料真实的编织结构，各个组分的各向异性的导热性能造成的。图2.26Cutplane2区域⑤和区域⑧温度分布云图图2.27–图2.28分别给出了Case4、Case5的Line1、Line2上的温度分布。Line1和Line21 考虑气膜孔与编织结构干涉的复合材料气膜冷却研究2的位置在图2.18和图2.19中标示出。从图2.27和图2.28可以看出，Case4Line1上的温度值约为902.475K，Case4Line2上的温度值约为902.42K。这两条线上的温度值基本一致，说明温度均匀分布。Line1和Line2的温度的差值仅为0.055K，这同时也说明了图2.18中标示出的表面②的中心区域整体温度分布均匀的特点。同时，图2.27–图2.28中明显地表现出了Case5这两条特征线上温度分布不均匀的现象。由图2.27可以看出，Line1上的温度分布呈现中间高两边低的特点，最大值与最小值相差6.85K。由图2.28可以看出，Line2上的温度分布呈现中间低两边高的特点，这个分布特征与Line1的情况正好相反，最大值与最小值相差6.81K。图2.27Line1的温度分布图2.28Line2的温度分布图2.29中标示出了case5工况中距离表面②最近的内部编织结构。图中同时给出了Line1和Line2在此图上对应的空间位置。对比图2.27、图2.28和图2.29可以看出，图2.27、图2.28中Line1和Line2中温度分布中的高温区域位置与图2.29中Line1和Line2下方的编织结构的位置相对应。其原因在于，编织结构所在的区域距离表面②最近，基体的厚度最小。由2.2.3.1小节可知，基体的导热系数最小，因而基体的厚度越小，对应的热阻越小，导致Line1和Line2中这些区域对应的位置的温度相对较高。通过以上分析可见，2.5D编织型复合材料编织结构的特点，导致了Case5工况下表面②温度分布不均匀的特征，并且编织结构的特点与温度不均匀分布的特点是相互对应的。图2.29编织结构示意图Case6–Case11表面②上的温度分布分布特征与图2.19类似，都表现出温度分布不均匀的22 南京航空航天大学硕士学位论文现象。图2.30给出了Case5–Case11中Line1最大值与最小值之间的差值随Case5–Case11定温边界温度值变化的关系图。图中可以看出，随着样件下表面温度的增加，表面②编织结构间的温差也不断增加。说明编织结构对温度分布的影响随着温度的升高而变得更加显著。图2.30Line1温差与定温边界温度的关系曲线通过以上研究可以发现，考虑了2.5D编织型复合材料真实的编织几何结构，从纱线尺度引入各向异性的导热系数的计算结果，与简单应用宏观等效导热系数的结果之间存在明显的差异。前者的温度场在编织结构的影响下，温度分布的特点与编织结构的特点是相互对应的，并且编织结构对温度场分布的影响在高温下会变得更加显著。2.3.3编织结构的影响通过上一小节的研究发现，温度分布的特点与编织结构的特点是相互对应的。本小节通过Case12、Case5、Case13在不同编织几何结构下的计算，进一步说明这一点。Case13中纬纱间距Δdweft最小，纱线在Z向排列最密集。图2.31、图2.33、图2.34所示为Case12、Case5、Case13表面②温度分布云图。对比这3张图，可以明显看出，改变编织结构后，表面②的温度分布随之改变。特别地，Case13同一层相邻纬纱间距Δdweft最小，编织结构在Z向的排列最密集，从而编织几何结构上与Case12、Case5的编织几何结构差异最大，计算结果表明与这俩个工况下表面②的温度分布的差异也最为明显。对比图2.31、图2.33和图2.34可以看出，由于Case5中编织结构在Z向的排列最密集，表面②中温度较高的区域与温度较低的区域同样随着编织结构的变化而变得密集。图2.32给出了图2.31中标示的两条特征线Line1和Line2在空间上的位置。图2.35给出了图2.34中标示的两条特征线Line1和Line2在空间上的位置。对比图2.31和图2.32、图2.33和图2.29、图2.34和图2.35，可以发现，由于固体域内部复杂的编织结构，Case12、Case5、Case13特征线上的温度分布都表现出不均匀分布的特点，表面②上温度较高的区域仍对应编织结构距离上表面最近，也即基体厚度最薄的区域，这个现象在三种编织结构中是一致的，由此可见编织结构对温度分布有重要的影响，并且温度分布的特点与编织结构的特点确实是相互对23 考虑气膜孔与编织结构干涉的复合材料气膜冷却研究应的。图2.31Case12表面②温度分布云图图2.32Case12特征线Line1和Line2位置图2.33Case5表面②温度分布云图图2.34Case13表面②温度分布云图24 南京航空航天大学硕士学位论文图2.35Case13特征线位置示意图图2.36、图2.37、图2.38所示为Case12、Case5、Case13工况下Cutplane2上温度分布云图。Cutplane2为X向的中截面，位置如图2.20所示，不仅穿过所有的纬纱，同时穿过计算域中间的4层经纱。对比图2.36、图2.37、图2.38可以看出，整体上，热量传递的方向是一致的，热量传递均是由下方高温区以辐射状向边缘低温区传递。图2.36Case12Cutplane2温度分布云图图2.37Case5Cutplane2温度分布云图图2.38Case13Cutplane2温度分布云图25 考虑气膜孔与编织结构干涉的复合材料气膜冷却研究如图2.38所示，Cutplane2被分为了4个区域。图2.39分别给出了Case12、Case5和Case13工况下，Cutplane2区域①内的温度分布云图。Case12、Case5、Case13在区域①内均由基体和编织结构共同构成。Case13中由于纬纱间距Δdweft最小，编织结构最密集，编织结构的占比最大，基体的占比最小。对比图（a）、图（b）、图（c）左上角区域温度分布可以发现，由于Case13中基体的占比最小，而基体的导热系数是各个组分中最小的，因而热阻集中在基体部分，造成Case13中低温区域最小。除此之外，图2.52中也可以明显看出编织结构对热量传播的路径的影响。对比图（a）、图（b）、图（c）可以发现，在经纱弯折段内，由于经纱倾斜的角度不同，等温线在编织结构内改变的角度也不同，这同样是由于各个组分的各向异性的导热性能造成的，说明热量传播的路径随着编织结构的变化而发生改变。图2.39Case12、Case5、Case13Cutplane2区域①温度分布云图Case12、Case5、Case13的研究进一步肯定了编织结构对导热特性的影响。温度分布的特点与编织结构的特点确实是相互对应的，当编织结构改变时，温度分布的特点随之发生改变。编织结构的改变并不会改变整体上热量传播的方向，但是对局部热量传递的路径有显著的影响，热量传播的路径随着编织结构的变化而发生改变。2.4计算结果验证本章的验证工作分为两个部分。其一，开展等效导热系数测试实验，验证宏观等效导热系数计算结果，保证后续第四章中应用宏观各向异性导热系数的气膜冷却共轭传热数值计算的可靠性。其二，开展2.5D编织型复合材料样件的加热实验，验证本章提出的考虑真实编织几何26 南京航空航天大学硕士学位论文结构，从纱线尺度引入各向异性导热系数的数值计算方法的可靠性。2.4.1等效导热系数测试实验2.4.1.1导热系数测试原理导热系数测试设备采用的是如图2.40和图2.41所示的德国耐驰公司生产的LFA467Hyper-Flash闪射法导热仪。耐驰LFA467HyperFlash闪射法导热仪是利用激光闪射法进行导热系数测试的仪器。该测量方法的原理示意图如图2.42所示。在恒定温度条件下，激光源发射一束瞬时的光脉冲。样件下表面被这束光脉冲均匀照射，吸收这束光的能量温度升高，从而作为热端，能量随之以一维热传导的方式向样件上表面传递。红外检测器将完整记录样件上表面中心部位的温度逐渐升高的过程，得到整个过程中温度随时间变化的曲线。图2.40闪射法导热仪图2.41仪器结构示意图图2.42激光闪射法原理图热扩散系数a由公式得到：2ta（2-10）1/2式中，为样件上表面温度升高到最大值的一半所需要的时间。1/2导热系数𝜆与热扩散系数之间的关系为式（2-11），由热扩散系数a、比热容cp、密度𝜌即可得到导热系数𝜆。密度𝜌由排水法获得。acp（2-11）2.4.1.2实验测量结果与计算结果对比根据LFA467HyperFlash闪射法导热仪对被测样件的横截面尺寸的要求，在图2.1所示的每个被测样板上切割出如图2.43所示的横截面的尺寸为10mm×10mm的被测样件件各一个，测量其等效导热系数。为减小误差，对每个被测样件分别进行了3次测量，最后取得3次测量的平均值作为实验测量结果。表2.7–表2.9总结了3个样件等效导热系数的测量结果。27 考虑气膜孔与编织结构干涉的复合材料气膜冷却研究（a）样件1（b）样件2（c）样件3图2.43导热系数测试样件表2.7样件1导热系数测量结果热扩散系数比热容密度导热系数样件序号测量次数a/mm2∙s-1cp/J∙kg-1∙K-1𝜌/kg∙m-3λ/W∙m-1∙K-110.179133915340.36720.182133915340.373130.179133915340.368平均值0.180133915340.369表2.8样件2导热系数测量结果热扩散系数比热容密度导热系数样件序号测量次数a/mm2∙s-1cp/J∙kg-1∙K-1𝜌/kg∙m-3λ/W∙m-1∙K-110.192111414330.30620.199111414330.318230.198111414330.316平均值0.196111414330.313表2.9样件3导热系数测量结果热扩散系数比热容密度导热系数样件序号测量次数a/mm2∙s-1cp/J∙kg-1∙K-1𝜌/kg∙m-3λ/W∙m-1∙K-110.205154714140.44820.216154714140.473330.212154714140.464平均值0.211154714140.462应用2.2小节所述的计算方法计算得到了3个被测样件的宏观等效导热系数。表2.10中列出了计算值、实验值以及计算值、实验值之间的相对误差。从表2.10中可以看出，导热系数计算值与实验值的相对误差在5%以内，说明应用应用2.2小节所述的计算方法得到的2.3.1小节中宏观等效导热系数的计算结果是可靠的。表2.10宏观等效导热系数计算值与实验值对比样件序号计算值λY/W∙m-1∙K-1实验值λY/W∙m-1∙K-1相对误差10.357530.3693.1%20.297820.3134.8%30.467330.4621.15%28 南京航空航天大学硕士学位论文2.4.2复合材料样件加热实验2.4.2.1实验系统与实验工况（1）实验系统图2.44所示为复合材料样件加热实验系统示意图。实验系统主要由实验件、铜板加热器、红外热像仪三部分构成。实验件为从图2.1所示的样板2中切割得到的具体尺寸为55mm×35mm×3.3mm的平板。铜板加热器用于对实验件的下表面进行加热。铜板加热器可有效地实现均匀加热。实验前先在实验件下表面均匀地涂上一层导热性能优异的导热硅脂，放置在铜板加热器后用橡胶锤在实验件上表面均匀地敲击，使铜板加热器和导热硅脂、导热硅脂和实验件下表面紧密接触，防止接触热阻影响实验结果的可靠性，保证铜板加热器对实验件下表面实现均匀加热，从而达到实现定温边界条件的目的。红外热像仪用于记录实验件上表面的温度分布。实验中采用的是如图2.45所示的FLIRA615红外热像仪。该红外热像仪配有像素为640×480的高分辨率探测器，可以实现对温度分布精确且清晰地拍摄；无需与被测物体直接接触从而不会影响被测量场；工作温度范围为-20˚C~120˚C；测量温度的热灵敏度小于50mK，能够捕捉图像的细微细节以及温差信息；温度测量基本误差为0.2%T。通过观察实验件上方红外热像仪记录的实验件上表面温度分布，确定实验系统达到稳定状态后，记录数据，获得表面②温度分布。图2.44实验系统示意图图2.45红外热像仪（2）实验工况实验件安装完成后，将铜板加热器的温度设置为110℃。可以认为实现了表2.4中Case6表面①的定温边界条件。在实验系统达到稳定状态时，实验件通过自然对流与无限大空间进行热量交换，测得环境温度为20℃。29 考虑气膜孔与编织结构干涉的复合材料气膜冷却研究2.4.2.2实验工况与计算工况对比实验件的尺寸为X×Y×Z=55mm×3.3mm×35mm。图2.9所示的考虑2.5D编织型复合材料真实编织结构情况的计算域模型示意图中，X方向为编织结构一个周期的长度，为4.8mm。Y，Z方向长度与实验件一致，分别为3.3mm和35mm。实验中铜板加热器的温度设置为110℃。可以认为实现了表2.4中Case6表面①的定温边界条件。实验状态下的自然对流换热系数根据无限大空间自然对流实验经验关系式[83]得出，具体计算过程如下，可以认为实现了表2.4中Case6表面②③④的第三类边界条件。壁面温度𝑇𝑤=383.15K，无限大空间空气温度𝑇∞=293.15K，则：定性温度𝑇𝑚=0.5×（383.15+293.15）=338.15K普朗特数Pr=0.695，动力粘性系数𝜇=2.0325×10-5Pa∙s，空气密度𝜌𝑎𝑖𝑟=1.0445kg/m3，空气导热系数λair=0.02931W∙m-1∙K-1热膨胀系数：11(2-12)T33.15m特征长度:A35553L10.710mm(2-13)P2(3555)怒赛尔数：31/4gLT()wT0.25Nu0.54(GP)0.54(P)rr2rair1(2-14)339.8(10.710)(33.15293.15)0.6933.150.250.54()4252.0101.0对流换热系数：Nu4.582h12W/(mK)(2-15)air3L10.102.4.2.3实验结果与计算结果对比本小节将通过对比实验结果与Case6的计算结果，验证本章提出的计算方法的可靠性。如图2.46所示为实验件表面②的温度分布。图中可以看出，实验件表面②中心区域温度较高，越靠近实验件边缘，温度越低。这是由于在与无限大空间的自然对流的作用下，实验件与周围空30 南京航空航天大学硕士学位论文间不断地进行热量交换。图2.46中标示了两条特征线Line1和Line2。图2.47和图2.48分别给出了实验结果以及Case6计算结果中特征线Line1和Line2的温度分布。图2.47和图2.48中明显可以看出，Line1上温度分布为中心高两边低，Line2则相反呈现中心低两边高的特点。Case6的计算结果与实验结果规律一致，数值为同一数量级。因此可以认为本章提出的考虑真实编织几何结构，从纱线尺度引入各向异性导热系数的数值计算方法是可靠的。图2.46表面温度分布图2.47Line1温度分布图2.48Line2温度分布2.5本章小结通过本章的研究的研究可以得到以下结论：（1）在2.5D编织型复合材料导热特性研究的计算中，本章提出的考虑真实编织几何结构，建立全尺寸尺度的几何模型，从纱线尺度引入复合材料各个组分各向异性的导热系数的数值计算方法，和COMSOLMultiphysics软件Heattransferinsolids计算模块的计算结果均是可靠的。（2）针对2.5D编织型复合材料导热特性的计算研究结果表明，考虑了2.5D编织型复合材料真实的编织几何结构，从纱线尺度引入各向异性的导热系数的计算结果，与简单应用宏观等效导热系数的结果之间存在明显的差异。前者的温度场在编织结构的影响下，温度分布的特31 考虑气膜孔与编织结构干涉的复合材料气膜冷却研究点与编织结构的特点是相互对应的，编织结构改变温度场分布特点随之改变，并且编织结构对温度场分布的影响在高温下会变得更加显著。（3）2.5D编织型复合材料的编织结构对整体热量传输的方向影响不大，但由于各个组分各向异性的导热性能，编织结构显著地影响了内部热量传递的路径，热量传播的路径随着编织结构的变化而发生改变。（4）本章计算得到的等效导热系数的结果是可靠的。这个结果将应用于后续第四章中应用宏观各向异性导热系数的气膜冷却共轭传热数值计算部分。32 南京航空航天大学硕士学位论文第三章考虑气膜孔与编织结构干涉的2.5D编织型复合材料气膜冷却特性实验研究上一章2.5D编织型复合材料导热特性的研究中已经发现，编织结构对温度场分布有显著的影响。而针对2.5D编织型复合材料开展气膜冷却时，气膜孔不可避免地会与编织结构发生干涉。为了研究气膜孔与编织结构干涉对气膜冷却的影响，本章进行考虑气膜孔与编织结构干涉的2.5D编织型复合材料的平板气膜冷却实验研究，为后续第四章即将开展的考虑气膜孔与编织结构干涉的气膜冷却共轭传热数值仿真计算提供用于计算方法验证的基础实验数据。3.1实验系统实验系统示意图如图3.1所示，由主、次流空气压缩机、储气罐、调节阀、流量计、电加热器、整流风洞、转接段、实验段、压力和温度测量系统等组成。主流空气由空气压缩机提供，首先进入高压气体储气罐稳压，随后流经控制主流通道流量的调节阀、主流流量计后进入电加热器，在电加热器中被加热至实验所需温度，并经整流风洞整流，经转接段后供给实验段。次流冷却空气由另一台空气压缩机提供，依次流经流量调节阀和次流流量计后进入实验段。除主、次流通道外，实验段核心部分为由2.5D编织型复合材料制成的气膜孔板。实验的主要目的为获得气膜冷却孔板壁面的温度分布，主要利用红外热像仪进行气膜冷却孔板表面温度的测量工作。整体实验系统分为供气系统、加热系统、测量系统和实验段四个部分。红外热像仪1实验段空气压缩机储气罐调节阀流量计电加热器整流风洞转接段1：主流PT空气压缩机调节阀流量计2：次流2图3.1试验系统示意图33 考虑气膜孔与编织结构干涉的复合材料气膜冷却研究3.1.1供气系统实验主流气体由EHCCD-200单螺旋螺杆式空气压缩机（如图3.2所示）提供。EHCCD-200单螺旋螺杆式空气压缩机公称（排气）压力为0.7MPa，公称流量为34.4m3/min。主流空气由单螺旋式空气压缩机排出后，进入如图3.3所示的高压储气罐中，经高压储气罐稳定空气的压力后，继续流入主流管路。在主流管路中依次流经调节阀、流量计、电加热器、整流风洞，从而获得可供实验段使用的温度分布均匀的主流空气。图3.2空气压缩机图3.3储气罐次流冷却空气气体由型号ET100空气压缩机（如图3.4所示）提供。ET100空气压缩机额定功率为7.5kW，公称排气压力为0.8MPa，公称排气量为1.36m3/min。次流空气由空气压缩机排出后流入次流管路。在次流管路中依次流经调节阀、流量计后，在实验段较长的次流管腔中稳压后最终由气膜孔流出。3.1.2加热系统实验中采用两个如图3.5所示功率为100kW的电加热器对主流空气进行加热。加热器的进口温度为常温，采用可控硅调功器对加热功率进行控制，可实现将主流空气温度加热至所需的实验工况。主流空气分别流入两个加热通道内，由两个电加热器分别加热。加热完成后的主流空气在通道内混合，流经整流风洞和整流格栅后作为高温主流空气。图3.4次流压气机图3.5加热器34 南京航空航天大学硕士学位论文3.1.3测量系统实验中测量压力的设备为如图3.6所示的U型管压力计。U型管压力计构造简单、使用方便，是实验室中常用的压力测量设备，它的精度等级为1。首先在压力测点安装如图3.7所示的直径为1mm的不锈钢引压管，然后通过软管连接不锈钢引压管与U型管压力计。图3.6U型管压力计图3.7不锈钢引压管本章实验中，温度测量采用了两种方式。第一种方式为使用如图3.8所示的热电偶。热电偶结构简单，操作方便，测量温度精度高，中间介质对测量结果没有影响，并且可以与被测对象直接接触从而实现直接测量。实验中应用的是如图3.8所示的K型铠装热电偶。K型铠装热电偶，具有热响应敏捷、坚固耐用等优点。其温度测量范围为0–550˚C，温度测量基本误差为±0.25%T。该热电偶探头直径为1mm。实验前对所用的每个热电偶都在使用范围内进行了标定，实验中热电偶信号通过如图3.9所示温度巡检仪采集。图3.8K型铠装热电偶图3.9JK-48U多路温度测试仪第二种温度测量方式为利用红外热像仪对温度数据采集。实验中采用的是FLIRA615红外热像仪。详细参数见2.4.2.1小节。主流管路安装的是如图3.10所示的型号为LU310101BD0231221032的涡街流量计，流量测35 考虑气膜孔与编织结构干涉的复合材料气膜冷却研究量量程为140–930m3/h，精度为1%。次流管路安装的是如图3.11所示玻璃管转子流量计，适用于在雷诺数较低的情况下测量体积流量。实验中采用的玻璃管转子流量计工作的温度范围为-20–120˚C、流量测量量程为1.2–12m3/h、精度等级为2.5。流量计进口前装有调节阀，通过调节阀精确控制次流流量。图3.10涡街流量计图3.11玻璃转子流量计试验中流量计测量得到的是试验工况条件下通过流量计气流的体积流量。为了能够得到通过流量计气流的实际质量流量，需要在流量计前面设置压力测点，在流量计后面需设置温度测点。通过这两个测点得到的压力以及温度值，换算得到通道内流体的密度，从而由体积流量计测得的体积流量换算得到通道内流体的质量流量。质量流量计算公式为：••mV（3-1）••其中m为工况状态下气流质量流量，V为工况状态下流量计测得的体积流量，为工况状态下气流的密度。根据流量修正测点测得的压力P以及温度T，由以下公式修正：101325P273.15n（3-2）101325273.15T式中，为标准状态下气流的密度，单位为kg/m3；P为工况状态下气流压力，单位为Pa；T为n工况状态下气流温度，单位为˚C。已知空气在标准状态下，空气密度为1.2928kg/m3。3.1.4实验件实验件由主流转接通道、次流稳压通道和气膜板三个部分组成。（1）主流转接通道主流转接通道的示意图如图3.12所示。整个主流转接通道长955mm，来流方向与电加热器所在管道相连。经过电加热器加热的高温主流空气，在主流转接通道内先经过格栅整流，再通过渐缩通道加速，继而经过近300mm的实验段通道稳定来流后，流经实验气膜板。实验段截面尺寸为110mm×35mm，壁厚3mm。实验段开设有直径为95mm的红外玻璃安装窗口，以及尺寸为70mm×50mm的气膜板安装窗口。36 南京航空航天大学硕士学位论文图3.12主流转接通道的示意图（2）次流稳压通道次流稳压通道长950mm，次流通道截面尺寸为70mm×50mm，壁厚为3mm。次流稳压通道的长度足够次流气体达到稳定的状态。（3）气膜板图3.13和图3.14给出了气膜板的示意图。在第二章复合材料样件加热实验的平板实验件上加工气膜孔，即得到图3.13和图3.14所示的气膜板。气膜板的具体尺寸为55mm×35mm×3.3mm。气膜孔孔径D=1.5mm，气膜孔为垂直气膜孔，相邻气膜孔的展向间距为3D。实验中考虑了气膜孔与编织结构的相对位置，气膜孔加工过程中保证了图3.13中红色框标示的中间的气膜孔与编织结构的相对位置为如图2.4X-Z平面编织结构示意图中所示的Hole-location1，即气膜孔圆心位于距离表面最近的经纱平直段的中心。Hole-location1图3.13气膜板实验件图3.14气膜板示意图37 考虑气膜孔与编织结构干涉的复合材料气膜冷却研究根据气膜板的厚度，设计了相应的安装板用于固定气膜板。气膜板安装板的凸台凸起高度均为3mm，与主流转接通道的壁厚一致。通过螺栓紧固连接后，气膜板上表面以及安装板的上表面与主流转接通道壁面平齐。安装气膜孔板过程中，用密封胶实现对气膜孔板冷气侧与安装板、主流转接通道与安装板、安装板与次流通道安装边的密封，保证使气膜孔板稳定安装并且整个实验段气密性完好。3.1.5实验测点3.1.5.1压力测点实验中的压力测点包括以下四个：（1）主流流量测试的静压测点主流流量通过型号为LU310101BD0231221032的涡街流量计测量得到体积流量。为了获得主流转接通道的质量流量，在涡街流量计前设置了静压测点，结合后续的温度测点，基于实测的体积流量来获得质量流量。（2）次流流量测试的静压测点次流流量通过玻璃管转子流量计测量得到体积流量。为了获得次流稳压通道的质量流量，在玻璃管转子流量计前设置了压力测点，用以对玻璃转子流量计得到的体积流量进行修正。（3）主流转接通道实验段静压测点主流转接通道实验段静压测点的位置如图3.12所示，距离实验段进口200mm。（4）主流转接通道实验段总压测点主流转接通道实验段总压测点的位置在静压测点位置沿来流方向后10mm。安装总压不锈钢引压管前，先标记不锈钢引压管伸入通道的长度，保证不锈钢引压管位置为通道的中心。3.1.5.2温度测点实验中的温度测点包括以下6个：（1）主流流量测试的温度测点主流体积流量通过涡街流量计测量得到。为了获得主流转接通道的质量流量，在涡街流量计后设置了温度测点，结合主流流量测试的压力测点，基于实测的体积流量来获得质量流量。（2）主流温度测点主流转接通道实验段温度测点的位置，距离实验段进口240mm。沿展向一共布置了3个测点。其中一个位于展向中心；另外两个与中心测点对称，与中心测点的距离为30mm。这三个测点距离壁面的高度均为10mm。通过这三个测点评估经加热器加热，整流格栅整流后主流温度分布的均匀性。38 南京航空航天大学硕士学位论文（3）次流温度测点在次流通道中设置了次流温度测点。次流温度测点距离次流稳压通道安装边的距离为650mm。该温度测点测量次流通道内冷却流体的温度，并用于对玻璃管转子流量计得到的体积流量进行修正。（4）红外观测窗口实验的核心内容是获得2.5D编织型复合材料平板气膜冷却的气膜板壁面温度分布，从而获得图3.13所示的中间气膜孔的气膜冷却效果。为此，在主流通道中布置红外观测窗口，在不影响主流实验段通道内气体流动的情况下，用红外热像仪观测气膜冷却孔板的壁面温度分布。红外观测窗口的位置和尺寸如图3.12所示，其中心距离主流转接通道实验段进口的距离为300mm。观测窗口内布置安装了锗玻璃。锗玻璃在1.7–16m波段内具有良好的透射率，有利于获得更准确的红外图像。3.1.5.3流量测点主流通道中，装有型号为LU310101BD0231221032的涡街流量计，测量主流体积流量。次流通道中装有玻璃转子流量计，测量次流体积流量。根据上述的压力、温度修正测点，由式（3-1）、（3-2）可计算得到流经主、次流通道的质量流量。主、次流管路中均装有调节阀，通过调节阀精确地控制通道内流量。实验前，实验所用流量计均送厂家标定。3.2参数定义及实验工况（1）雷诺数Re雷诺数Re定义为：VLhhRe（3-3）h式中，𝜌ℎ、𝑉ℎ分别为主流热流体的密度、速度，L为特征长度，𝜇ℎ为主流热流体的动力粘性系数。上式中特征长度L通常取流体通道截面的当量直径，其公式为：4AdD=（3-4）C式中，A为过流截面面积，C为过流截面上流体与固体接触的周长（湿周长）。（2）吹风比M吹风比M的定义为：VmAccchM=（3-5）VmAhhhc式中，𝜌𝑐、𝑉𝑐分别为次流冷却流体的密度、速度，𝑚𝑐、𝑚ℎ分别为冷、热流体的质量，𝐴𝑐、𝐴ℎ分39 考虑气膜孔与编织结构干涉的复合材料气膜冷却研究别为气膜孔横截面积总和和主流通道横截面积。（3）温比𝜃温比𝜃定义为：Tc（3-6）T式中，Tc，𝑇ℎ分别为次流冷却流体和主流流体的温度。（4）综合冷却效率综合冷却效率的定义为：TThw（3-7）TThcTw为2.5D编织型复合材料平板壁面温度。（5）实验工况具体的实验工况如表3.1所示。雷诺数Re为100000，Re定义中特征长度L为主流转接通道实验段的当量直径。吹风比M共有8组工况，温比𝜃包括0.9、0.85、0.8三组工况。一共包括24组实验工况。表3.1实验工况表Case序号吹风比M温比𝜃10.70.920.70.8530.70.841.00.951.00.8561.00.871.20.981.20.8591.20.8101.50.9111.50.85121.50.8131.70.9141.70.85151.70.8162.00.9172.00.85182.00.8192.20.9202.20.85212.20.840 南京航空航天大学硕士学位论文表3.1（续）Case序号吹风比M温比𝜃222.40.9232.40.85242.40.83.3红外数据校准采用红外热像仪对2.5D编织型复合材料平板壁面温度进行测量时，红外热像仪的测量结果受到物体表面发射率等因素的影响。因此实验中首先需要对红外热像仪测温进行标定。在实验台搭建完成后，用K型铠装热电偶和红外热像仪测量2.5D编织型复合材料平板壁面上同一点的温度，得到如表3.2所示的数据。表3.2红外校准数据表红外温度Tcamera/℃热电偶温度Tcouple/℃94.496.385.984.679.578.175.173.670.368.36563.760.558.755.453.950.749.245.343.5使用最小二乘法对红外热像仪所测温度Tcamera和K型铠装热电偶所测温度Tcouple进行拟合，得到两者之问的关系如图3.15所示，两者的关系式如下：TTcouple1.04511camera4.29723（3-8）图3.15红外数据校准41 考虑气膜孔与编织结构干涉的复合材料气膜冷却研究3.4实验结果分析前文3.1.4小节针对气膜板的介绍中已经提及，实验中考虑了气膜孔与编织结构的相对位置。图3.13所示的中间的气膜孔（红色框标示），编织结构与气膜孔的相对位置为图2.4中所示的Hole-location1，此时气膜孔圆心位于距离表面最近的经纱平直段的中心。本小节将对这个孔的实验数据进行分析，为2.5D编织型复合材料平板气膜冷却积累基础实验数据，并且将为后续第四章数值仿真计算提供用于验证的实验数据。3.4.1吹风比的影响（1）𝜃=0.9图3.16所示为𝜃=0.9时，M由0.7变化至2.4时的壁面综合冷却效率分布图。M最小时，即M=0.7时，气膜孔下游综合冷却效率较高区域的覆盖面积最大，气膜的附壁效果最好。当M由0.7增至1.0时，膜孔下游综合冷却效率较高区域的覆盖面积稍有变小，同时展向气膜覆盖面积也稍有减小。当M由1.0增至1.2、由1.7增至2.0时，气膜的附壁效果显著变差，膜孔下游综合冷却效率较高区域的覆盖面积显著变小。当M为1.2-1.7、2.0-2.4之间时，膜孔下游综合冷却效率较高区域的覆盖面积在这些工况间的变化较小。总而言之，随着M不断增大，气膜的附壁效果逐渐变差，气膜孔下游综合冷却效率较高区域的覆盖面积逐渐变小。这是由于随着M不断增大，气膜孔出口冷却流体的射流速度不断增加，气膜冷却射流向主流的穿透高度也不断增加，使得冷却流体更容易与壁面脱离。可以看出，在M>2.0的较大吹风比下，孔口下游没有较明显的冷却气膜，综合冷却效率较高的区域仅集中在孔附近，壁面仅有微弱的气膜附着，壁面的冷却效果差，说明气膜已经基本不附着在壁面上。如图3.17所示为𝜃=0.9时，M由0.7变化至2.4，气膜孔下游中心线上综合冷却效率沿流向的变化。M=0.7时气膜的冷却效果最好，此时的最大值为0.5065。M由1.0逐渐增加至1.2时，由1.7逐渐增加至2.0时，由2.0逐渐增加至2.2时，气膜综合冷却效率总体上大幅降低。M=2.4时，气膜的冷却效果最差，此时的最大值为0.304。随着M由0.7逐渐增加至2.4，的最大值减小了约40%。但整体上，随着M由0.7逐渐增加至2.4，中心线上气膜综合冷却效率并不随之单调下降，M=1.5、1.7时的中心线上气膜综合冷却效率水平高于M=1.2的情况。图3.18所示的Z=1D处展向气膜综合冷却效率分布图同样说明了上述现象。M<1.0时，中心线综合冷却效率沿流向单调递减。1.0
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