[科普中国]-薄膜冷却

原理

通过壁面上冷却薄膜的把温度较低的气体冷却剂通过切向缝隙输送到需要热防护的壁面上，沿着高温气流的流向形成薄膜 (图中a)。这层薄膜把固体壁面与高温气流隔离开来，从而防止壁面因直接接触高温气流而超温损坏。冷却剂自缝隙喷出以后，与高温气流汇合并逐步掺混，气冷薄膜的隔热作用也随之逐步消失。因此薄膜冷却的有效作用距离是有限的。如果要延长冷却距离，就需要接力式地在下游再添加冷却剂喷射缝隙（图中b）。2

全气膜冷却整个壁面基本上被分段气冷薄膜有效覆盖的冷却称为全气膜冷却。它与一种与理想冷却方案──发散冷却相近似，而又现实可行的冷却技术。当结构上受限制而无法设置缝隙时（见燃气透平），常采用点阵式排列的许多倾斜小孔来喷射冷却剂。对于切向缝隙，加大冷却剂的喷射速度和流量通常都会提高冷却效果，但是对于小孔喷射则复杂一些，因为小孔轴线与壁面或倾斜、或垂直，冷却剂的喷射速度达到一定值以后，它将穿透薄膜而直接进入高温气流。不但不能形成隔热气膜，反而可能因为增强扰动、促进掺混而降低冷却效果。

应用薄膜冷却有效地应用于燃气轮机燃烧室和透平叶片等高温零部件，以及其他需要热防护的新技术装备上(如等离子体喷枪等)。

由于冷却薄膜流动的复杂性，虽然近年来人们对它开展的广泛研究已经取得众多成果，利用边界层理论和射流等方面的数值计算技术在很多情况下已可进行设计计算，但是采用近似的或模拟的方法进行的这类计算还不够成熟，多数的设计基本上仍将依靠由实验方法得到的经验数据。