涡轮丨西工大顶刊：先进航空发动机涡轮叶片气膜冷却孔在长时服役烧蚀条件下的几何演变及冷却性能退化研究
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研究背景
研究背景
先进航空发动机的涡轮进口温度已远超镍基高温合金的熔点，气膜冷却成为保护热端部件的关键技术。然而，在长期高温服役过程中，气膜冷却孔自身并非几何不变。研究表明，镍基合金在高温燃气冲刷下会发生显著的氧化、热腐蚀和烧蚀，导致气膜孔出口逐渐扩张、侧壁收缩、入口边缘钝化等形貌演变。这种形貌演变过程，会持续改变孔的出口轮廓，进而影响冷气射流的流动结构和附壁特性。
传统研究大多基于静态或理想化的孔几何，忽略了材料去除与流动物理之间的动态耦合——即孔形貌随时间的演化会反过来改变局部流场，而流场变化又可能影响后续的烧蚀进程。目前，对于长期烧蚀下气膜孔几何如何演化，以及这种演化如何定量地导致冷却性能退化，仍缺乏系统的认识。
为此，本研究基于高温燃气烧蚀实验，结合高精度三维重建与数值模拟，揭示了扇形孔和圆柱孔在长时服役中的形貌演变规律及其对冷却效率的非线性影响机制。
图 1 从先进燃气轮机到涡轮叶片烧蚀以及长期服役过程中气膜冷却孔几何形状退化的演变示意图
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研究方法及模型
研究方法及模型
本研究采用氧乙炔燃烧燃气流对镍基高温合金4169平板试件进行定向烧蚀实验。烧蚀温度控制在1200 ℃（±20 ℃），分别进行2小时、14小时和20小时的烧蚀。实验未施加主动冷却，以模拟极端热冲击或局部气膜失效情况，建立保守的最坏情况基线。烧蚀后通过宏观表面观察和高分辨率扫描电镜分析，发现两种孔型（扇形孔和圆柱孔）均出现明显的出口扩张、壁厚减薄和入口边缘圆角化等形貌演化特征。
图 2 烧蚀系统的示意图
利用Canny边缘检测算法结合人工精细校正，从高分辨电镜图像中提取烧蚀后的孔出口轮廓。算法基于高斯平滑、梯度强度计算、非极大值抑制和双阈值滞后连接，确保高信噪比和单像素边缘定位。针对烧蚀引起的熔融、氧化等复杂形貌导致的噪声和间断，通过人工校正滤除虚假检测、平滑高频噪声，最终获得精确的孔边界轮廓。基于提取的轮廓，通过CAD放样重建出高精度3D几何模型，图像分辨率为20.3 μm/像素，重建不确定度在±20 μm以内。
图 3 边缘检测与模型重建的流程图
采用浓度定义的气膜冷却效率（ηc）近似温度定义效率（ηT），基于质量传递类比，将湍流施密特数（Sct）设为0.3。稳态RANS模拟结合经修正的BSL k-ω湍流模型，经验证在动量比I=0.43~2.71范围内与实验数据平均误差仅6.23%，具有足够工程鲁棒性。计算域包括主流通道、冷气通道和气膜孔结构，采用周期性边界条件模拟无限列孔排。研究两种孔型：扇形孔（展向扩张角11°，出口展向宽度11.5 mm）和圆柱孔（直径5 mm），孔倾角30°。动量比范围0.43~2.71，具体边界条件见原文表2、表3。
图 4 基准模型的几何形状与计算域的示意图
图 5 扇形孔和圆柱孔的几何结构示意图
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结果与讨论
结果与讨论
为了清晰展示扇形孔与圆柱孔在长期烧蚀后的性能差异及其内在机理，本文选取三个关键图表进行解读。图 6（对应原文图21）以柱状图与折线图组合的形式，对比了两种孔型经过20小时烧蚀后的绝对冷却效率及其相对于未烧蚀状态的衰减率。图 7（对应原文图22）通过叠加冷气浓度分布与三维流线，对比了扇形孔和圆柱孔在横截面（流向距离与孔径比值等于3）上的流动结构差异。图 8（对应原文图20）则定量给出了圆柱孔在动量比为0.97条件下，不同烧蚀阶段的无量纲涡核高度演变规律。
从图 6可以看出，在所有动量比条件下，扇形孔的绝对冷却效率均显著高于圆柱孔。扇形孔的衰减率随动量比增大而单调上升，从动量比0.43时的0.45%逐渐增加至2.71时的6.77%。这表明在高动量比条件下，扇形孔的性能退化更为明显。相比之下，圆柱孔的衰减率呈现非单调趋势：在动量比为0.97时达到峰值12.74%，随后在2.71时下降至8.19%。原文指出，扇形孔的衰减主要源于烧蚀引起的流动附壁能力下降，且在高动量比下更为突出；而圆柱孔的峰值衰减出现在较低动量比，可能与孔入口结构的烧蚀导致冷气展向扩散增强有关，但随着动量比增加，冷气射流的穿透能力增强，部分缓解了这一不利影响。
图 6 扇形孔与圆柱孔在烧蚀前后面积平均冷却效率及其衰减率的对比
图 7揭示了两种孔型不同的流动拓扑结构。对于扇形孔，在低动量比条件下，孔下游形成的肾形涡对结构对称且形态稳定，确保冷气射流的对称发展和均匀覆盖。然而，随着动量比增加，这种对称结构被打破，肾形涡出现明显的不对称性：一个涡的强度显著增强，另一个相应减弱。这种非对称涡系对冷气射流产生非对称的卷吸和诱导作用，形成横向压力梯度，迫使射流核心向涡对较弱的一侧偏移，导致冷却效率分布发生系统性的展向迁移。对于圆柱孔，随着动量比增加，两个肾形涡并未出现扇形孔那样的不对称发展，而是同时增强且幅度显著。涡核强度、空间尺度以及伴随的抬升效应均大幅增强。这一对强壮的涡系如同一个强劲的“流体支架”，将整个冷气射流抬离壁面，阻止其重新附壁，从而导致冷却效率的快速衰减和覆盖范围的急剧缩小。
图 7 在不同动量比下，扇形孔与圆柱孔在横流截面（X/D=3）上的冷却剂浓度云图与流线形态对比
图 8给出了圆柱孔在动量比为0.97条件下，无量纲涡核高度随烧蚀时间的变化。原文分析表明，涡核高度呈现先降低后升高的非单调趋势。在未烧蚀状态，涡核高度处于较高水平，对应射流抬升现象。经过2小时短期烧蚀后，涡核高度降至最低点，此时射流贴附壁面，冷却效率获得提升。然而，经过20小时长期烧蚀，涡核高度重新上升并显著超过未烧蚀水平，表明强化的肾形涡对将冷气核心卷吸并推离壁面。这一涡核高度的演变轨迹，直接建立了从孔口几何退化到冷却性能衰减的物理映射。
图 8 圆柱孔（I=0.97）冷却射流的演变：（a）不同截面上的冷却剂浓度（Cc）与流线；（b）无量纲涡核高度（zv/d）随烧蚀时间的变化
综合以上可以得出：扇形孔的性能退化主要源于烧蚀诱导的非对称变形导致展向射流迁移，而圆柱孔则因强化的反旋涡对产生“流体支架”效应，触发射流抬升。圆柱孔在长期烧蚀后的性能损失更为严重，尤其在中等动量比条件下衰减率达到峰值。这些结果为抗烧蚀气膜孔的设计提供了明确的量化依据和机理指导。
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研究结论
研究结论
基于高温燃气烧蚀实验和高精度三维重建，本研究系统揭示了扇形孔与圆柱孔气膜冷却孔的几何演化规律及其对冷却性能的影响。主要结论总结如下：
（1）扇形孔和圆柱孔在经过长期烧蚀后，均表现出显著的出口扩张以及侧壁收缩。这一过程导致入口边缘逐渐钝化，几何轮廓发生实质性改变，这些变化是后续流动物理机制转变和冷却性能退化的主要驱动因素。
（2）在所研究的动量比范围内，两种孔型的冷却效率均呈现非单调特征，即“短期轻微增强，长期显著退化”。定量分析表明，扇形孔在烧蚀20小时、动量比为2.71时，面平均冷却效率下降了6.7%；而圆柱孔在动量比为0.97时经历了更为严重的退化，降幅达12.7%，这表明传统几何形状对长期烧蚀具有更高的敏感性。
（3）扇形孔的性能衰退主要由烧蚀引起的不对称变形所主导，导致展向射流迁移；而圆柱孔的性能下降则归因于强化的反旋涡对，该涡对充当“流体支架”，触发射流抬离壁面。因此，对于抗烧蚀扇形孔的设计，保持出口轮廓和展向对称性对于抑制射流迁移至关重要；而对于圆柱孔构型，主要应聚焦于增强气膜附壁能力和抑制法向动量核心，以减轻射流脱体。
引用格式：
Kun DU, Yuansheng LIU, Min XIA, Kunyang LI, Fangshun ZHANG, Cunliang LIU, Geometric evolution and cooling performance degradation of film cooling holes under long-term ablation in advanced gas turbines, Aerospace Science and Technology, Volume 172, 2026, 111716.
