開孔形狀對新型迷宮復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)冷卻效率的影響

開孔形狀對新型迷宮復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)冷卻效率的影響

隨著發(fā)動機前空氣溫度的增加，燃燒灼燒液的工作環(huán)境極其惡劣。氣膜冷卻技術(shù)是對燃燒室進行冷卻保護的重要技術(shù)。Mayle等人和Bazdid-Tehran等人研究了全覆蓋多排孔氣膜冷卻的冷卻效率和換熱規(guī)律。李軍等人和林宇震等人分別對多斜孔壁氣膜冷卻中冷卻壁表面和小孔內(nèi)的對流換熱系數(shù)分布進行了試驗研究,以上研究都是針對圓柱形孔且試驗件是單層板。Goldstein等人曾對幾種不同形狀噴孔的氣膜冷卻效率進行了測量。朱惠人等人針對單排氣膜孔形狀對孔排下游的冷卻影響作了詳細的研究,但研究對象是單層板且氣膜孔是單排的。目前將氣膜孔形狀的研究應(yīng)用到多排氣膜孔及多層壁復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)上的很少。近年來,由于高性能發(fā)動機研制的需要,各種新型的冷卻結(jié)構(gòu)形式不斷出現(xiàn),燃燒室迷宮復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)是一種集沖擊、對流換熱和近似發(fā)散冷卻于一身,結(jié)構(gòu)合理,冷卻效率高,具有創(chuàng)新性的新型冷卻結(jié)構(gòu)。本文主要研究了迷宮復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)外側(cè)壁三排氣膜冷卻孔形狀對其冷卻效率的影響,并針對外側(cè)壁冷卻孔流量系數(shù)對席壁熱側(cè)面冷卻效率的影響進行了研究。冷卻效率的定義式為η=Tg?TwTg?Tcη=Τg-ΤwΤg-Τc式中:Tg為燃氣(主流)溫度;Tw為層板熱側(cè)壁溫;Tc為冷氣(次流)溫度。流量系數(shù)的定義式為Cd=m2/m1Cd=m2/m1式中:m2和m1分別為通過氣膜孔的實際二次流流量與在同樣壓差下的理想二次流流量。1計算值的方法1.1由帶孔的孔型設(shè)計迷宮復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)火焰筒是由某型航空發(fā)動機五段氣膜冷卻火焰筒改造而成的,每段沿周向均勻分布三塊瓦塊,整個火焰筒由十五塊瓦塊構(gòu)成,每塊瓦塊由三層壁面(即外側(cè)壁、中間壁和內(nèi)側(cè)席壁)組成,如圖1所示。二股通道的冷卻空氣首先流過瓦塊式迷宮冷卻結(jié)構(gòu)的外側(cè)壁,對外側(cè)壁面進行對流換熱,然后從壁面后部的三排進氣孔進入上冷卻通道,直接沖擊到中間壁上,對中間壁有很強的沖擊冷卻換熱作用;然后,該冷卻空氣沿著上冷卻通道向前流動,與中間壁上壁面和外側(cè)壁內(nèi)壁面都有對流換熱作用;其后通過中間壁前部的槽縫向下流入下冷卻通道,對席壁的前部有沖擊冷卻作用;最后沿下冷卻通道一邊向后流動與席壁上表面和中間壁下表面進行對流換熱,一邊經(jīng)席壁編織過程中形成的小孔在席壁的外表面形成一層均勻的氣毯,對外側(cè)席壁進行保護。由于結(jié)構(gòu)關(guān)于XZ平面對稱,故僅取其一半采用對稱邊界條件進行計算。外側(cè)壁上3種孔型如圖2所示。簸箕形孔和圓錐形孔均在圓柱形孔的基礎(chǔ)上加工而成,圓錐形孔孔口張角為30°,簸箕形孔四面與軸線夾角為15°。各種孔型圓柱部分直徑D=2.3mm,三排孔孔排距為4mm,孔間距為6mm,采用叉排排列。考慮到席壁編織過程所形成的小孔與平板多排氣膜孔之間冷卻效果相同(席壁熱伸展性更好),將席壁結(jié)構(gòu)簡化成平板多排氣膜孔。1.2瓦塊式結(jié)構(gòu)通道外側(cè)壁二次流通道和內(nèi)側(cè)壁主流通道進口為速度進口邊界,次流、主流通道進口速度分別設(shè)為4m/s和2.1m/s,進口湍流度設(shè)為1%,總溫分別為610K和1288K。瓦塊式迷宮復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)通道出口為壓力出口邊界。進口段壁面以及內(nèi)部流動通道壁面均給定為無滑移和無滲透的物面邊界條件,近壁區(qū)網(wǎng)格采用壁面函數(shù)法。對稱壁面為對稱邊界條件。1.3湍流模型及模型模型采用直角坐標(biāo)系下的三維穩(wěn)態(tài)不可壓N-S雷諾時均湍流方程描述,湍流模型采用realizable-ε湍流模型。N-S雷諾時均湍流方程應(yīng)用Fluent的分離隱式穩(wěn)態(tài)求解器求解,壓力修正采用SIMPLE算法,各參數(shù)的離散采用二階迎風(fēng)格式,亞松弛求解直到收斂。2計算與分析2.1外側(cè)壁開孔形狀對孔排下游冷卻效率的影響次流由外側(cè)壁三排冷卻孔流入上冷卻通道時,冷氣溫度較低,冷卻潛力較大。圖3顯示了外側(cè)壁冷卻孔分別為圓錐形孔(圖3(a)),簸箕形孔(圖3(b))和圓柱形孔(圖3(c))時外側(cè)壁熱側(cè)面的溫度分布?？梢钥闯?相對于中間層和席壁層,3種孔型外側(cè)壁熱側(cè)面整體溫度都較低,中間氣膜孔出口附近是低溫區(qū),且其左側(cè)(中間壁槽縫附近)溫度較右側(cè)溫度低。帶有擴張形出口的簸箕形孔和圓錐形孔,其出流的氣體在出流口兩側(cè)覆蓋的區(qū)域明顯大于圓柱形孔,冷卻效果也優(yōu)于圓柱形孔。出流口附近,簸箕形孔溫度最低,為674K;圓錐形孔次之,為676.7K;圓柱形孔溫度最高,為683.6K。外側(cè)壁冷卻孔為簸箕形孔和圓錐形孔時,外側(cè)壁熱側(cè)面的溫度分布比較類似,平均溫度比圓柱形孔低,分別為786.1K和783.1K,而圓柱形孔為803.7K。圖4給出了外側(cè)壁開孔形狀不同時外側(cè)壁熱側(cè)面冷卻效率的比較?？梢钥闯?在氣膜孔孔口附近,冷卻效率達到最大值,并且簸箕形孔排最大,圓錐形孔排次之,圓柱形孔排最小。這是因為簸箕形孔和圓錐形孔的出口是擴張形的,且簸箕形孔出口擴張的程度比圓錐形孔更大,這使得二次流出流后附著在孔口下緣附近的冷氣數(shù)量,簸箕形孔排最多,圓錐形孔排次之,圓柱形孔排最小,對壁面的保護作用和冷氣的冷卻效率也依次降低。氣流出流后沿流向,圓錐形孔排的冷卻效率最高,簸箕形孔排次之,圓柱形孔排最小,這是因為從圓柱形孔排噴出的氣流更容易穿越邊界層而脫離壁面,貼附性能較差;相對圓錐形孔,簸箕形孔的擴散作用強,導(dǎo)致氣流更容易與主流摻混而使冷卻效果降低。圖5給出了氣膜孔形狀對孔排下游冷卻效率影響的實驗結(jié)果,實驗數(shù)據(jù)來源于文獻。實驗中,3種孔型圓柱部分直徑D=20mm,孔間距為4.5D,5個氣膜孔的孔排排布在單層實驗件的中央,主、次流溫度差為20K。從圖中可以看出,計算結(jié)果相對實驗數(shù)據(jù)數(shù)值偏高,這是因為相對于單層單排氣膜孔冷卻結(jié)構(gòu),迷宮冷卻結(jié)構(gòu)冷卻效率較高,而且外側(cè)壁采用三排氣膜冷卻孔,孔徑及孔間距較小,氣流出流后能更好地附著在孔口下緣的表面上,冷卻效果更好。盡管實驗條件與本算例的計算條件相差比較大,但氣膜孔形狀對孔排下游冷卻規(guī)律影響的一致性,在一定程度上旁證了計算結(jié)果的可信程度。流量系數(shù)是另一個重要的氣膜冷卻性能參數(shù)。并且迷宮冷卻結(jié)構(gòu)外側(cè)壁冷卻孔流量系數(shù)的大小對中間壁熱側(cè)面和席壁熱側(cè)面的冷卻效率的好壞有較大的影響。由于各算例中氣流速度不高,可以按不可壓流來處理,所以取m1=A22ρ2(Pin?Pout)????????????√m1=A22ρ2(Ρin-Ρout)式中:ρ2為外側(cè)壁冷卻孔的氣體密度;A2為外側(cè)壁三排冷卻孔總橫截面積;Pin和Pout分別為冷卻孔進、出氣口的靜壓。m2取外側(cè)壁三排冷卻孔的實際流量,均為0.0076kg/s。經(jīng)計算,外側(cè)壁冷卻孔為簸箕形孔時流量系數(shù)最大,為0.406;圓錐形孔次之,為0.395;圓柱形孔最小,為0.329。這是因為簸箕形孔和圓錐形孔的擴張形開口,能增加二次流的出流面積,使其流動更為暢通,它們的流量系數(shù)也就比圓柱形孔的大。本算例中,圓錐形孔在垂直流向方向的擴張度不及簸箕形孔,所以流量系數(shù)比簸箕形孔的小。2.2沖擊、對流冷卻作用圖6給出了冷氣由中間壁前部的槽縫向下流入下冷卻通道后,3種孔型對中間壁熱側(cè)面冷卻效率影響的比較。很明顯,x=0處(即槽縫出口),冷卻效率最高,然后沿流向在一區(qū)迅速下降,這是因為氣流流出槽縫對席壁上表面有較強的沖擊、對流冷卻作用,冷卻效率較高;二區(qū)冷卻效率下降平緩,這是因為冷卻氣流已經(jīng)趨于平穩(wěn),沖擊換熱作用一般;三區(qū)冷卻效率有小幅度上升,這是因為此處中間層上表面正對著外側(cè)壁氣膜孔出流口,從外側(cè)壁氣膜孔出流的冷流對中間壁上表面有較強的沖擊、對流換熱作用,由于中間層金屬傳熱作用,導(dǎo)致該區(qū)冷卻效率有所上升;四區(qū)冷卻效率迅速下降,這是因為此處下方正位于席壁邊緣,席壁熱側(cè)面氣膜保護作用不強,冷卻效率較差。下冷卻通道高度僅為1.5mm,通道內(nèi)流速較快,從上冷卻通道通過槽縫流出的冷卻氣流的溫度高低直接影響著中間壁熱側(cè)面冷卻效率的好壞,故外側(cè)壁冷卻孔為圓錐形孔時,中間壁熱側(cè)面冷卻效率最好,簸箕形孔次之,圓柱形孔最差。2.3外側(cè)壁冷卻孔的影響冷氣從下冷卻通道流出席壁編織孔形成均勻的氣毯,將燃氣與壁面隔開,對壁面進行保護。圖7給出了外側(cè)壁3種孔型對席壁熱側(cè)面冷卻效率影響的比較。可以看出,在席壁第一排氣膜孔(即x=0.006m)之前,冷卻效率上升較快,這是因為冷卻氣流從席壁第一排氣膜孔出流后形成氣膜,冷流溫度較低,冷卻效果較好;外側(cè)壁冷卻孔為簸箕形孔時,席壁熱側(cè)面冷卻效率最好,圓錐形孔次之,圓柱形孔最差。這是因為外側(cè)壁流量系數(shù)較大的孔型,冷流的流動更為順暢,在席壁熱側(cè)面形成的氣毯貼附壁面將高溫燃氣與壁面隔開的能力增強,射流能從壁面帶走更多高溫燃氣對壁面的輻射能?？梢?在相同進口條件下,席壁熱側(cè)面的冷卻效率與外側(cè)壁氣膜孔的流量系數(shù)正相關(guān);外側(cè)壁冷卻孔為圓柱形孔時,在席壁熱側(cè)面靠近出口附近冷卻效率反而下降。這是因為圓柱形孔流量系數(shù)較小,在席壁熱側(cè)面形成的氣毯較薄弱,在靠近燃氣主流出口的最后一排氣膜孔處所形成的氣膜無法完全覆蓋席壁邊緣區(qū)域,導(dǎo)致此處溫度偏高,并通過席壁層熱傳導(dǎo)使得席壁熱側(cè)面靠近主流出