Аналіз сучасних чисельних підходів до моделювання плівкового охолодження на плоскій поверхні: тенденції, похибки та кореляційні залежності

Анотація

У статті проведено аналіз сучасних чисельних методів моделювання плівкового охолодження на плоскій поверхні з урахуванням тенденцій розвитку CFD-технологій у 2019–2025 рр. Розглянуто понад 25 публікацій, присвячених тривимірним (3D CFD) розрахункам ефективності плівкового охолодження для різних типів отворів — циліндричних, фасонних, нестаціонарних та комбінованих. Наведено порівняння застосовуваних моделей турбулентності, параметрів сітки та методів валідації з експериментальними даними. Показано, що навіть незначна похибка у визначенні ефективності охолодження (± 0,02) може спричинити відхилення понад 20 °С у прогнозі температури плівки при реальних умовах двигуна. Встановлено, що зворотне виконання отворів плівкового охолодження забезпечує суттєве підвищення ефективності при великих параметрах вдуву m, тоді як пряме виконання є переважним для малих m. Для фасонних отворів вплив складного кута вдуву β не є незначним і повинен враховуватися в інженерних розрахунках. Виявлено необхідність урахування відношення питомих теплоємностей газу та охолоджувача при масштабуванні результатів з лабораторних до двигунних умов. Здійснено порівняльний аналіз відомих 1D-кореляцій: показано, що формули Baldauf переважно завищують ефективність охолодження циліндричних отворів, а залежності Colban — занижують для фасонних. Це вказує на потребу розробки оновлених узагальнених залежностей, що враховують сучасні CFD-дані та параметри теплоємності. Наукова новизна роботи полягає у систематизації сучасних CFD-досліджень плівкового охолодження, встановленні впливу напрямку отворів і параметра m на ефективність охолодження, а також у пропозиції врахування теплофізичних властивостей середовищ при масштабуванні результатів.