以涡轮叶片冷却为背景的热工流体综合实验探索

张 魏，李广超

（沈阳航空航天大学航空发动机学院 辽宁 沈阳 110136）

实践教学在工科专业教学中具有重要地位，是锻炼学生运用基础理论知识解决实际问题和培养创新人才的重要手段[1-5]。将多学科交融内容融入一个实验内容，进行多学科交叉一体化的综合实验设计，可以培养学生综合应用知识解决实际问题的能力[6]。目前的动力类专业实践教学除了开设PVT实验、喷管特性实验、横掠平板换热实验外，在一些高校还开设了先进的PIV实验、液晶测温实验等[7]。这些实验通常是验证性的，学生被动理解课本中相关的基础理论，不利于创造性思维能力的开发。在“工程教育专业认证”背景下，教师需要设计行之有效的实践教学环节来激发学生对主动学习知识的兴趣。

我国著名的热流科学教育家何雅玲和陶文铨院士提出有所侧重地将工程热力学和传热学融为一体的教学思想[8]。而将热流基础课和专业课融合却是一种新的想法。燃气轮机原理是能源动力类和航空航天类专业的主要专业课之一。燃气轮机涡轮叶片典型冷却方式为内部强化换热和外部气膜冷却相结合的复合冷却[9]，将这种冷却结构进行适当简化后，利用相似原理设计成带扰流肋的内通道与气膜孔冷气出流的复合冷却结构，应用于本科实验教学。冷却特性设计涉及流阻、对流换热和气体状态变化等热流学科基础知识。基于此，课程组针对飞行器动力工程专业和能源与动力工程专业开设了“热工流体综合实验”独立课程，将流体力学、传热学和工程热力学以及燃气轮机原理相关知识交融结合在一起，设计、搭建了应用于本科教学的开放性热工流体综合实验台，实验装置和测量方法允许学生动手改造，使实验具有设计性特点，将多门课程的知识融合到一个综合实验课中，学生不仅能够在专业氛围中学习基础知识，还可以在专业实践中锻炼运用基础知识的能力。培养学生独立主动分析和解决问题的能力，

1 热工流体综合实验台设计

热工流体综合实验台是以燃气轮机涡轮叶片冷却结构为参考，结合相关教学科研工作，将流体力学、传热学和工程热力学涉及的部分基础知识融入其中，由本文作者等相关教师开发研制的一套教学设备。如图1 所示，涡轮叶片内部冷气通道具有复杂的扰流肋和气膜孔结构，是流阻和传热设计重点考虑的部位，气膜孔喷出冷气在外壁面形成气膜冷却。热工流体综合实验台示意图如图2 所示，由两个交错直通道组成，气源分别由鼓风机提供。上通道模拟叶片外部燃气流动，下通道模拟叶片内部冷气流动，内壁可以布置不同尺寸和结构的肋条来实现粗糙壁面。沿着流动方向布置8 个压力点，测量沿程压力变化，通过水排进行压力测量。通道内表面布置钢带加热膜，通过直流电源产生等热流密度边界条件。在钢带壁面沿流动方向布置10 个热电偶测量壁面温度。采用速度探针测量速度，利用微压计读取压差。图3 为热工流体综合实验台照片。

图1 燃气轮机涡轮叶片冷却结构

图2 热工流体综合实验台示意图

图3 热工流体综合实验台照片

2 教学改革内容及特色

热工流体综合实验内容包括基础性对比验证实验、发动机叶片气膜冷却设计实验、先进的壁面抽吸强化换热实验、流动传热数值仿真，以及开放性实验，如图4 所示（p76）。进行通道内流动阻力、换热系数测量以及流动传热显示，外部气膜冷却效率测量等。

图4 热工流体综合实验内容

基础性对比验证实验：①自然对流传热实验；②光滑管内强迫对流换热实验；③粗糙管内强迫对流换热实验；④光滑管流阻实验；⑤粗糙管流阻实验；⑥气体状态参数计算和应用。

通过以上实验，巩固学生对流体力学、传热学和工程热力学基本定律的理解。在实验过程中发挥主动性和创造性设计粗糙肋位置，而后进行实验，并利用课本相关知识进行验证（见图4，p76）。

2.1 气膜冷却设计实验

气膜孔的出流使得燃气和叶片表面之间增加了传热热阻，可以减少燃气向叶片表面的传热量，从而达到热防护的目的。通过实验以及前期相关资料的准备，让学生了解和掌握气膜冷却的原理，了解实际工程中气膜效率测量过程和方法以及数据的处理，加深对燃气轮机热端部件冷却的认识。

2.2 壁面抽吸情况下流阻换热实验

壁面抽吸可以改变通道内的流量、破坏边界层，改变通道流阻特性和换热特性。通过对比通道壁面有无抽吸的流阻和换热特性，加深对换热强化和减阻物理机制的理解，并且提高学生设计和分析的能力。

2.3 流动传热数值仿真

学生利用计算流体力学软件，针对实验内容进行简单数值仿真或虚拟实验[10]，获得详细的流场和温度场。计算模型可以简化为二维结构。根据计算结果，观察壁面附近速度和温度变化规律，理解肋和气膜孔对流动和传热的影响。

2.4 开放实验室创新实验

该实验为选择性内容，学有余力的学生根据兴趣爱好，依托已有设备，提出实验设想，在教师指导下设计内部强化换热以及外部气膜冷却实验并实施，达到锻炼思维创造力的目的。

3 热工流体综合实验的开展

目前学生运用理论知识能力较弱的一个原因是理论没有很好地在实践中体现。沈阳航空航天大学热工流体综合实验课是在热工课和专业课基础上，以专业特色和工程应用为背景开设的一门基础性、开放式、综合型实践教学课程。教学环节包括实验方案设计、实验仪器原理和使用方法讲解、实验过程操作及实验数据处理等。每组实验人数5―6 人，本着人人参与的原则，学生自主进行实验任务分解和分工。课程持续一周：最初三天让学生完成实验设计、操作，数据处理和分析，之后利用一天时间针对实验模型进行简单的二维数值仿真，最后一天撰写实验报告。学有余力的学生在处理分析完实验数据后，往往喜欢跟老师探讨实验结果，并且来实验室反复做该实验，或者做一些自己设计的开放性实验。整个过程极大地锻炼了学生的动手能力，调动了学习兴趣，培养了创新意识。

预习在实验过程中是非常重要的一个环节。在实验周开始前一周左右给学生布置任务，让学生复习相关知识，理解实验测量目的，进行实验方案设计和操作过程预演等。掌握需要测量参数的物理意义，充分了解测量参数所需要的实验仪器，以及这些仪器的测量原理和操作方法，实验过程中可能产生的误差等等，并写出预习报告。比如测量通道壁面传热系数，让他们根据传热系数计算公式反推整个实验过程。在这个过程中学生就会发现需要测量热流密度，而热流密度需要通过电源加热产生，学生就要考虑用什么方法产生均匀的热流密度。给定多大的电流和电压。壁面温度用什么来测量？如果用热电偶，那么热电偶的测温原理、测量方法、热电偶的布置以及热电偶测量精度与什么有关等都需要掌握。测量传热系数用的是稳态测量方法，那么加热量会不会损失，测量结果是否需要进行修正，怎么修正？等等。让学生在充分预习并且撰写预习报告的基础上再进行实验操作和后续数据处理，可以让他们更好地理解基础知识，更好地操作实验过程，最终夯实学生的基础知识、拓宽的学生思路、培养学生的创新意识。

内部通道换热实验中，实验室提供用于粗糙壁面设计的方形肋条、梯形肋条、半圆柱肋条以及三角形肋条等多种粗糙元结构。学生设计粗糙元结构以及它们在通道内的排布方式。处理数据时，壁面热流边界需要考虑固体导热和壁面与环境之间的辐射换热，即将三种传热方式统一体现在实验中，分析不同传热方式的传热量比例。气膜冷却实验中给定合适的电源加热量，使主流和二次流产生一定的温差，让学生测量两通道气体流速以及气膜孔下游不同距离处的壁面温度。以实验件与主流温差和冷气用量两项指标评价优劣。

以往课堂教学和实验教学通常由不同教师承担，流体力学、传热学、工程热力学实验的授课老师也可能不同，传授的知识点相对独立，不利于课堂教学与实践教学的融合。热工流体综合实验由相关课堂授课老师联合进行指导，部分课堂内容在实践教学中体现，实现了理论教学和实践教学的结合。利用流体力学计算软件让学生开展简单的仿真计算，并与相应实验数据对比，从直观上加深对流动传热物理现象的理解。直观的流场和温度场的显示，可以激发学生学习的主观能动性以及对热流学科学习的兴趣。图5 和图6 为学生自主设计布置并且计算出的粗糙矩形肋通道内部流场和温度场分布图。

图5 通道内流场

图6 通道内温度场

4 结束语

教学效果表明，通过一周的实验操作、数据处理，简单的数值仿真计算，以及一周的课前预习，热工流体综合实验课强化了学生对基础理论知识的理解，培养了学生学习专业知识的兴趣，提高了学生的实验设计能力、动手操作能力和创新思维能力。实现了专业基础课和专业课教学的结合，理论教学、实践教学和工程应用的统一。