氣膜孔幾何形狀對渦輪葉片氣膜冷卻效果的影響

氣膜孔幾何形狀對渦輪葉片氣膜冷卻效果的影響

孔型篩選及氣膜冷卻效率研究提高透平進口溫度是提高機車性能和提高經(jīng)濟性的重要手段，但由于葉片材料的耐熱性，應(yīng)采取措施保護汽輪箱免受高溫腐蝕和損壞。在眾多的冷卻技術(shù)中,氣膜冷卻已被廣泛地應(yīng)用于壓氣機、燃燒室尤其是渦輪上,成為發(fā)動機熱端部件的主要冷卻方式之一,因此,準(zhǔn)確預(yù)估氣膜冷卻效果對燃氣輪機葉片等設(shè)計起著至關(guān)重要的作用。影響氣膜冷卻效率的因素很多,其中氣膜孔的形狀對冷卻效率的影響不容忽視。近年來,國內(nèi)外學(xué)者對此進行了大量的研究,朱惠人等人實驗比較了圓柱形孔、圓錐形孔及簸箕形孔的冷卻效率,發(fā)現(xiàn)當(dāng)吹風(fēng)比較大時,帶有擴張形出口的氣膜冷卻效率優(yōu)于圓柱形孔。Ekkad和Schmidt等人研究了不同幾何形狀射流噴孔的氣膜冷卻效率及冷卻效率隨動量通量比的變化規(guī)律。Gritsch和Kim等人給出了不同吹風(fēng)比情況下,復(fù)合斜孔射流下游傳熱系數(shù)比的分布情況,發(fā)現(xiàn)圓孔的傳熱系數(shù)比值最高,由于具有擴張形出口的孔,在出口處橫截面積的增加,射流動量降低,導(dǎo)致傳熱系數(shù)比值降低。近幾年,有學(xué)者嘗試采用新型縮放槽縫孔來對氣膜孔的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,以期得到較好的氣膜冷卻效果和孔口氣動性能。Lu實驗研究了月牙形孔、槽縫形孔、漏斗形孔孔口下游的傳熱特性,發(fā)現(xiàn)月牙形孔和槽縫形孔在相鄰孔間的氣膜覆蓋性較好,漏斗形孔在孔口下游的冷卻效率較高,沿葉高方向的效率低于其它兩種孔形。新型孔優(yōu)化了氣膜孔的結(jié)構(gòu),不同程度地提高了氣膜冷卻效率,有望在今后發(fā)動機高溫部件的氣膜冷卻設(shè)計中發(fā)揮重要的作用,迄今這方面的工作仍在繼續(xù),但大多以實驗研究為主,而用數(shù)值模擬方法對新型孔與其它孔形進行系統(tǒng)比較與分析的文獻相對較少。為此本文應(yīng)用兩層k-ε湍流模型,模擬計算了圓柱孔、前向擴張孔、開槽前向擴張孔及新型縮放槽縫孔在射流下游處及葉高方向上的氣膜冷卻效率及流場分布,并將4種孔形的計算結(jié)果進行了詳細的對比分析,以期更好地了解不同氣膜孔孔口的流場流動特性和傳熱機理,為實際氣膜孔的優(yōu)化設(shè)計提供參考。1數(shù)值模擬方法1.1基于內(nèi)部k-湍流模型的關(guān)鍵計算采用的兩層k-ε湍流模型是介于壁面函數(shù)和低雷諾數(shù)模型之間的一種中間模型,它在受粘性力影響的近壁面應(yīng)用一方程模型,外部核心流應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型,兩層k-ε湍流模型的優(yōu)勢表現(xiàn)在:第一,與單純低雷諾數(shù)方法相比,在粘性邊界層處可以用較少的網(wǎng)格點來比較精確地描述復(fù)雜的流動,例如它在計算旋轉(zhuǎn)的同性剪切流,包括自由流、回流、分離流以及旋渦流中有較強的優(yōu)勢;第二,對于存在逆壓力梯度的邊界層及氣膜孔出口附近,兩層k-ε湍流模型較傳統(tǒng)的k-ε模型有更精確的預(yù)測。1.2計算域和網(wǎng)格劃分圖1為本研究的4種形狀不同的氣膜孔結(jié)構(gòu)圖?？着庞?個孔組成,孔與孔之間的距離為3D,孔長與孔徑比L/D=3,孔徑D=9mm。孔軸線與流動方向的夾角均為30°,前向擴張孔(擴張孔)的孔口張角為15°,開槽前向擴張孔(開槽孔)的開槽寬度為前向擴張孔冷氣出口寬度的兩倍。縮放槽縫孔(縮放孔)在冷氣入口處的橫截面為圓形,從入口到出口孔壁逐漸擴張,在孔出口處收縮為槽縫,導(dǎo)致孔出口橫截面積以及相鄰兩氣膜孔出口處距離的減小。將計算域劃分為進氣通道、冷氣出口和供氣腔三部分,如圖2所示,并用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分整個計算域。在近壁面及氣膜孔入口、出口附近使用加密網(wǎng)格,網(wǎng)格總數(shù)為50萬左右。近壁面第一個網(wǎng)格單元中心的近壁距離滿足壁面函數(shù)律的條件。1.3孔結(jié)構(gòu)面為對稱邊界由圖2看出,供氣腔提供的冷氣經(jīng)過氣膜孔進入到主流區(qū)域,坐標(biāo)原點位于沿著氣膜孔軸線出口與主氣流通道壁面的交點處。在坐標(biāo)原點左側(cè)23D處為主流入口速度邊界,在測試面向上12D處為無滑移無滲透邊界,在坐標(biāo)原點右側(cè)25D處為壓力出口邊界,氣膜孔中心線為對稱邊界,氣膜孔到氣膜孔之間的流通面為周期邊界,氣膜孔的進出口都為交接面,孔壁為無滑移無滲透的物面邊界。供氣腔的頂壁與氣膜孔進口交接,底面為流量進口邊界,供氣腔的兩側(cè)壁為周期邊界,頂壁為無滑移物面。供氣腔高度為50mm,寬度為99mm,主流入口和冷氣入口溫度分別為337和189K。為了使結(jié)果具有可比性,用于3種氣膜孔計算的所有參數(shù)均保持不變。吹風(fēng)比定義為M=ρcvc/ρ∞v∞,式中ρc和ρ∞分別為冷卻氣體和主流氣體的密度,vc和v∞分別為冷卻氣體噴射速度和主流氣體的來流速度。這里M分別取0.6和1.2,冷氣射流與主流密度比ρc/ρ∞=2,進口紊流度設(shè)定為1%。主流速度U∞=10m/s,定義氣膜冷卻效率η=(Taw-T∞)/(Tc-T∞),其中aw代表壁面,c代表冷氣,∞代表主流。1.4網(wǎng)格無關(guān)性測試采用Fluent6.1分離隱式求解器對N-S雷諾時均紊流方程進行求解,湍流模型采用兩層湍流模型,壓力-速度耦合采用Simplec算法。采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù),利用瞬態(tài)插值法避免壓力場振蕩,應(yīng)用強隱式法求解代數(shù)差分方程。各參數(shù)的離散采用二階精度的迎風(fēng)格式,亞松弛求解,松弛因子在計算過程中逐步調(diào)整,解的收斂標(biāo)準(zhǔn)是相對殘差小于1×10-5。圖3給出了吹風(fēng)比M=0.6時,在對網(wǎng)格進行進一步加密后計算結(jié)果的比較,所提取的數(shù)據(jù)為氣膜孔下游處沿射流方向的氣膜冷卻效率,從圖中可以看出使用兩種網(wǎng)格節(jié)點數(shù)所計算出的冷卻效率非常接近,最大誤差小于1%,說明所采用的網(wǎng)格無關(guān)性很好。為驗證本研究的計算結(jié)果,將傾斜角為35°的圓柱孔在M=0.6和1.2時的計算數(shù)據(jù)與文獻的實驗進行了比較,如圖4所示,最大相對誤差為20%,變化趨勢基本一致。2結(jié)果與分析2.1出流孔的風(fēng)比特征圖5給出了4種孔形在吹風(fēng)比M=0.6和1.2的條件下,沿孔排下游平均冷卻效率(冷卻效率沿橫向平均值)的對比情況?？梢钥闯?當(dāng)吹風(fēng)比M=0.6時,在孔口附近擴張孔和開槽孔的冷卻效率高于圓柱孔,并隨著X/D的增大三者均呈緩慢下降趨勢,在孔排下游較遠區(qū)域擴張孔與圓柱孔的冷卻效率相差不大。當(dāng)M=1.2時,圓柱孔的冷卻效率與低吹風(fēng)比相比下降極為迅速,這是由于吹風(fēng)比越低,圓柱孔的射流中心線越貼近壁面,對壁面的冷卻效果越好。隨著吹風(fēng)比的增大,射流的初始動量逐漸增加,射流垂直方向的動量分量使得冷卻射流穿透主氣流邊界層,對主流區(qū)域的影響增加,能量損失增加,導(dǎo)致了冷卻效率的降低。擴張孔和開槽孔的冷卻效率優(yōu)于圓柱孔的趨勢隨著吹風(fēng)比的增加而增大,這是由于兩者均不同程度地增大了出口截面面積,導(dǎo)致了截面上射流動量比的減小,射流穿透主流的能力明顯減弱,從而使射流冷氣能夠較好地貼附在壁面上起到保護作用。在不同吹風(fēng)比下,由于開槽孔的出口截面面積與擴張孔相比進一步增大,因此其冷卻效果要好于擴張孔?？s放孔在兩個吹風(fēng)比下的冷卻效率均高于其它3種孔形,特別是在孔口附近其高出的幅度更大,這與它的射流結(jié)構(gòu)有關(guān)。縮放孔的出口形狀使得高速氣流緊貼出口底平面出流后直接沖刷表面,因此氣膜冷卻保護效果較佳。縮放孔有效抑制了射流下游的旋渦強度,從而提高了對壁面的冷卻效果,其復(fù)雜的流動機理還需要進一步的研究來揭示。圖6為2種吹風(fēng)比情況下不同孔形沿孔排下游冷卻效率的分布,可以看出縮放孔的冷卻效率最好,開槽孔次之,圓柱孔最差。2.2孔下游冷卻效率比m圖7給出了所研究的4種孔形當(dāng)吹風(fēng)比M=0.6時,在X/D=5和13兩個不同位置處,冷卻效率沿葉高方向的分布?？梢钥闯?縮放孔的冷卻效率隨著Z/D的增加而增加,特別是在Z/D>1.0區(qū)域,其增加的趨勢更加明顯。當(dāng)X/D=5時,擴張孔和開槽孔的冷卻效率明顯高于圓柱形孔,并且在Z/D<0.4的區(qū)域,兩者的冷卻效率高于縮放孔。當(dāng)X/D=13時,開槽孔的冷卻效率下降緩慢,說明開槽孔沿葉高方向的冷卻效果較好。圓柱孔沿葉高方向的冷卻效率在兩種情況下都呈快速下降趨勢。在X/D=13的位置處,4種孔形沿測試面的冷卻效率相差不大,均為0.4左右,但隨著Z/D的增大,縮放孔的冷卻效率優(yōu)于其它3種孔形的趨勢也越來越大。分析其原因,從結(jié)構(gòu)上講,圓柱孔的氣流噴出比較集中,出流后直接穿過邊界層進入主流區(qū),使得冷氣流在葉高方向上氣膜覆蓋性較差,因此冷卻效率較低。而具有擴張形出口的氣膜孔出流后有較多的冷氣貼附在葉片壁面附近,且其射流在葉高方向上的擴展較廣,在側(cè)向產(chǎn)生了較高的冷卻效率?？s放孔的射流結(jié)構(gòu)具有典型的三維特征,且出口橫截面積減小,導(dǎo)致了氣流從孔入口到出口速度的加大,這些具有較高速度的冷氣射流沿葉高方向的動量分量形成了對壁面的沖刷,使得在射流孔附近X/D=5處的冷卻效果好于X/D=13處的冷卻效果。另一方面,縮放孔出口向外擴張,相鄰兩噴孔出口處距離較近,因此相鄰兩個孔噴出的氣流,隨著向兩側(cè)的擴展,氣流發(fā)生混合,增強了冷卻效果。而且孔軸線與流動方向傾斜,導(dǎo)致了較強的側(cè)向動量和射流的更廣擴展,使得沿葉高方向上的噴射出流連續(xù),冷氣覆蓋面廣,且可抑制孔后反向渦旋對的產(chǎn)生(在2.3節(jié)中將對此做分析),冷氣不會被抬離葉片表面,因此在孔下游遠處兩個鄰近孔之間的區(qū)域,沿葉高方向氣膜冷卻效率較高,這與文獻所得出的結(jié)論是一致的。圖8給出了當(dāng)吹風(fēng)比M=0.6時4種孔形在孔下游X/D=15處橫向冷卻效率的比較,可以看出縮放孔的冷卻效率明顯高于其它3種孔形,最高冷卻效率達到了0.53,開槽孔為0.4,擴張孔為0.28,圓柱孔只有0.16。橫向的覆蓋寬度也大于其它3種孔形,整體冷卻效果最好。2.3反向潮旋對的影響圖9給出了當(dāng)吹風(fēng)比M=1.2時在X/D=1處,4種噴孔附近冷氣射流的速度場分布。從4張圖的對比來看,在圓柱孔附近生成的反向渦旋對,其強度和尺寸均大于其它3種孔附近產(chǎn)生的旋渦,反向渦旋對的產(chǎn)生是由于主流與射流的速度差產(chǎn)生的切向應(yīng)力而引起的。形成的反向渦旋對將冷氣卷吸成兩股冷氣流,使冷氣射流在向下游發(fā)展的開始階段逐漸抬離壁面,反向渦旋對的強度和尺度越大,其卷吸冷氣流并使其向四周摻混的程度也越大,從而導(dǎo)致冷卻效率下降的越快。開槽孔和擴張孔使反向渦旋對的強度得到了一定程度的抑制,氣膜出流向主流的垂直穿透能力減弱,因此其氣膜覆蓋性較好?？s放孔由于其結(jié)構(gòu)上的特殊性,以及鄰近氣膜孔噴射氣流流場的相互影響,完全抑制了反向渦旋對的產(chǎn)生,因此其冷氣射流能較好地貼附于壁面,氣膜冷卻效率較高。3風(fēng)比對氣膜冷卻效率的影響(1)圓柱孔的氣膜冷卻效率隨著吹風(fēng)比的增加而顯著地降低,且其冷卻效率沿葉高方向呈快速下降趨勢。(2)前向擴張孔和開槽前向擴張孔的冷卻