大小孔交替排列對氣膜冷卻效率的影響

劉曉紅 羅 翔 陶 智

(北京航空航天大學 航空發動機氣動熱力重點實驗室,北京 100191)

大小孔交替排列對氣膜冷卻效率的影響

劉曉紅 羅 翔 陶 智

(北京航空航天大學 航空發動機氣動熱力重點實驗室,北京 100191)

采用數值模擬方法研究了大小氣膜孔交替排列(均勻排列的圓柱形單孔兩側分別開設一個平行的小孔)情況下的流動和換熱,并與常規的圓柱形單孔結構進行對比,分析大小氣膜孔交替排列提高冷效的機理,研究大小孔的孔徑比對氣膜冷卻效果的影響規律.結果發現:在圓柱形單孔兩側分別設置一個平行的輔助小孔,大小孔冷氣射流的腎形渦相互干涉,導致主氣膜孔下游的腎形渦的尺度和強度與圓柱形單孔相比均有明顯降低,氣膜冷卻效果明顯改善.相同冷氣量下,小孔孔徑越大,分配的冷氣流量越大,對主孔冷氣射流的干涉作用越強,氣膜冷卻效果改善越明顯;當小孔孔徑 d2=4mm時,氣膜冷卻結構類似常規的離散圓柱形氣膜孔,氣膜冷卻效果開始下降.

氣膜冷卻;絕熱冷效;射流;腎形渦

提高燃氣渦輪的效率和推重比的關鍵是提高渦輪前溫度,從而應該采取合理的冷卻措施保護渦輪葉片等高溫部件.目前為止最行之有效的冷卻方式之一是氣膜冷卻.影響氣膜冷卻效果的因素有很多,氣膜孔的形狀、排列方式、流動參數等等[1].其中,孔形氣膜冷卻一直是研究者關心的重點.經大量的研究證實,適當改進氣膜孔的進出口形狀和在氣膜孔出口附近設置漩渦擾動結構均可以在一定條件下提高氣膜冷卻效果,但同時也帶來了不可忽視的流動損失,而且部分氣膜冷卻結構的機械加工難度大,不適宜直接應用到工程設計中.文獻[2-3]在 2007年提出一種分叉形氣膜冷卻結構,并對其進行了初步的數值模擬和實驗研究.由于該結構的基本結構單元是圓柱形孔,大大降低了機械加工的難度,同時還保證了氣膜孔下游較高的冷卻效果.本文在分叉形氣膜孔的基礎上進行改進,在均勻排列的圓柱形單孔兩側分別開設一個平行的輔助小孔,在保證氣膜孔下游的貼壁效果的同時,進一步降低了機械加工的難度.文中針對該結構開展了初步的三維數值模擬研究,獲得了該結構提高氣膜冷卻效果的機理,以及隨小孔幾何參數的變化規律.結果證實:在單孔兩側輔以平行的輔助小孔,在一定條件下可以改善圓柱形單孔的氣膜冷卻效果.

1 計算模型

物理模型如圖 1所示.大孔孔徑 d=4mm,流向傾角 α=30°,無展向傾角,孔長 L/d=6,主流進口與氣膜孔出口中心距離為 10d,主流出口與氣膜孔出口中心距離為 30d,氣膜孔展向間距P/d=3.

文中研究了兩種氣膜孔排列方式:圓柱形單孔和大小孔交替排列(見圖 2).大小氣膜孔平行排列,小孔孔徑為 d2,大小孔展向間距為 P1.計算網格采用結構化六面體網格,近氣膜孔區域采用O型網格,壁面附近采用邊界層貼體網格,總網格數為 100萬,并進行了網格無關解計算.

主流進口為速度進口,U∞=50m/s,T∞=353K;冷氣進口 T2=293 K,速度大小由吹風比M=ρ2U2/ρ∞U∞確定 ,其中 ρ∞,U∞為主流進口處的密度和流速,ρ2,U2為冷氣在冷氣腔內氣膜孔進口處的密度和流速;出口邊界取壓力出口,出口靜壓為0Pa;固體壁面為絕熱無滑移邊界條件;展向的兩個側面為周期性邊界條件.本文選用 Realizable k-ε湍流模型[4],近壁面處采用壁面函數法進行處理,各方程的離散采用二階迎風差分格式,方程離散收斂殘差小于 10-5.

圖1 物理模型簡圖

圖2 氣膜孔排列方式

文中用到的氣膜冷卻效果評價參數為絕熱氣膜冷卻效率(簡稱:冷效)η:

其中,T∞為主流溫度;Taw為絕熱壁溫;Tc為冷氣溫度.

文中的計算工況見表 1.

表 1 計算工況 mm

2 計算結果與分析

2.1 計算方法驗證

為了驗證本文計算方法的準確性,將圓柱形單孔在 M=0.6,密度比為 1.586時的計算結果與文獻[5]和文獻[6]的結果進行了對比,見圖 3.結果發現本文的計算結果與文獻的計算結果基本符合,并且規律一致.

圖3 本文計算結果與文獻進行對比

2.2 大小孔交替排列提高冷卻效果的機理分析

本文對比了圓柱形單孔和大小孔交替排列兩種結構在不同 M下的絕熱冷效分布,見圖 4、圖5,圖中 x/d=0為氣膜孔中心,x/d=1為氣膜孔出口的下邊緣.圓柱形單孔,除 M=2.0以外,相同 M下,冷效隨著無量綱距離 x/d的增加很快降低并逐漸趨于平緩;M=2.0時,氣膜孔下游的冷效先減小再緩慢增加.冷效最高出現在 M=0.5左右,隨著 M的增大,冷效單調降低,結論與現有文獻基本一致.大小孔交替排列,絕熱冷效與相同M下的圓柱形單孔相比有很大提高.低 M下,隨無量綱距離 x/d的增加,主氣膜孔下游的中心線冷效和展向平均冷效逐漸減小直至平板尾緣.高M下,近氣膜孔區域的冷效隨 M增加逐漸減小,而遠離氣膜孔區域的冷效隨 M增加先增大再減小.M越大,大小孔交替排列對圓柱形單孔的氣膜冷卻效果改善越明顯.

圖4 中心線冷效

圖5 展向平均冷效

經研究證實,氣膜冷卻射流在與主流的作用過程中形成了 4類大尺度的渦系結構:剪切渦、馬蹄渦、尾跡渦和腎形渦[7].其中,腎形渦控制氣膜冷卻射流的流動狀態,是影響氣膜冷卻效果的關鍵因素.本文以工況 2、M=1.0的計算結果為例,分析大小孔交替排列提高氣膜冷卻效果的機理.

圖6為 M=1.0,氣膜孔下游 4個垂直于主流截面(x/d=2,x/d=5,x/d=8,x/d=12)的流線圖.圖 7為 M=1.0,主氣膜孔下游的渦量分布情況.圓柱形單孔,在 x/d=2處腎形渦剛剛形成,尺度較小;在 x/d=2～5區域內,腎形渦的尺度和中心高度很快增大,射流與主流的摻混更加充分,解釋了冷效從氣膜孔出口開始很快減小的原因;在x/d=5～12區域內,腎形渦的尺度變化不大,冷效也趨于平緩.腎形渦的渦量在緊鄰氣膜孔處為最大值,隨著 x/d的增加,渦量迅速減小,腎形渦對主流的卷吸作用和對射流的向上抬升作用均減弱,但此處的冷氣已經與主流摻混,冷卻品質已大大降低,所以冷效仍然呈降低趨勢.當 x/d＞10時,渦量幾乎不再變化,冷效也趨于平緩.相同冷氣量下,由于小孔射流的干涉作用,大小孔交替排列的主孔腎形渦的尺度與圓柱形單孔相比明顯減小,冷氣與主流的摻混減弱,中心線冷效明顯提高;腎形渦的強度(渦量)也明顯減小,在渦量峰值處,主孔腎形渦的渦量降低了 1/3左右,對主流的卷吸作用減弱,避免射流沖破主流脫離壁面,提高冷卻效果;另一方面,輔助小孔的存在引起冷氣流量的分配,從主孔流出的冷氣流量與圓柱形單孔相比明顯減少(甚至可達到 50%左右),主孔吹風比大大減小,冷卻效果提高.同時,小孔的冷氣射流增加了氣膜孔下游冷氣的展向覆蓋寬度,展向平均冷效提高.所以,一定條件下,大小氣膜孔交替排列方式可以有效地提高氣膜冷卻效果.

圖6 氣膜孔下游、垂直于主流截面的流線圖

圖7 氣膜孔下游腎形渦的渦量(x分量)

2.3 大小孔交替排列絕熱冷效隨小孔孔徑變化

圖8 中心線冷效

本文還比較了相同冷氣流量下,小孔孔徑對冷卻效果的影響,如圖 8、圖 9所示.明顯看出:大小孔的展向間距相同時,隨著小孔孔徑的增加,中心線冷效和展向平均冷效均有所提高,氣膜冷卻效果的改善越明顯;但并不是無限制增加,當小孔孔徑 d2＞3mm時,氣膜冷卻效果開始下降.

圖9 展向平均冷效

圖10 主氣膜孔下游腎形渦的渦量(x分量)

圖11 氣膜孔下游、垂直于主流截面的流線圖

表 2為大小孔冷氣流量分配情況.圖 10為主氣膜孔下游腎形渦的渦量分布情況.圖 11為氣膜孔下游的不同截面的流線圖.當孔徑比較小時(d2=1mm),從小孔流出的冷氣流量很小(還不及總流量的 10%),小孔射流產生的腎形渦尺度和強度都很小,而且小孔與主孔的相對展向距離(P1/d2=4)較大,所以,小孔射流對主孔的冷氣射流的干涉作用微乎其微,氣膜冷卻效果改善最不明顯.隨著 d2的增加,主孔的冷氣流量減少,吹風比降低,并逐漸接近圓柱形單孔的最佳吹風比,在近氣膜孔區域,主孔氣膜出流形成的腎形渦的強度減弱,冷卻效果增強;在氣膜孔下游,主孔腎形渦的尺度隨主孔吹風比的減小而減小,射流與主流的摻混減弱,冷卻空氣品質提高,冷卻效果提高.同時,小孔的冷氣流量增加,吹風比增加,冷氣射流形成的腎形渦對主孔射流的干涉作用逐漸增強,促進氣膜冷卻效果的提升.d2越大,小孔射流冷氣對壁面的展向覆蓋寬度增加,展向平均冷效越高.本文計算范圍內,d2＞3mm時,氣膜冷卻結構類似常規的離散圓柱形氣膜孔,氣膜冷卻效果開始下降.

表 2 大小孔冷氣流量分配 %

3 結 論

本文對大小氣膜孔交替排列情況下的流動和換熱進行了三維數值模擬,分析氣膜孔下游腎形渦的相互作用過程對氣膜冷卻效果的影響,并與普通圓柱形單孔的計算結果進行對比.分析了大小氣膜孔交替排列提高冷效的機理,研究了大小孔的孔徑比對氣膜冷卻效果的影響規律,驗證了這種氣膜孔排列方式在一定條件下改善氣膜冷卻效果的可行性.

相同冷氣量下,在單孔兩側輔以平行的輔助小孔,一定條件下可提高中心線冷效 0.1～0.3,同時,由于兩側伴隨小孔的存在,冷氣的展向覆蓋寬度明顯增加,展向平均冷效提高 0.15～0.45.原因是:在兩側小孔射流的干涉作用下,主氣膜孔下游的腎形渦的尺度和強度與圓柱形單孔相比均明顯降低,減弱射流與主流的摻混和射流脫離壁面的能力,冷氣貼壁能力增強,提高冷卻效果.同時,冷氣流量的分配,也是氣膜冷卻效果提高的原因之一.d2的大小嚴重影響大小孔的冷氣流量分配,一定范圍內,d2越大,氣膜冷卻效果的改善越明顯;當 d2=4mm時,氣膜冷卻結構類似常規的離散圓柱形氣膜孔,氣膜冷卻效果開始下降.

References)

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(編 輯 :張 嶸)

Effects of cylindrical hole accompanied with anti-vortex holes on film cooling effectiveness

Liu Xiaohong Luo Xiang Tao Zhi

(National Key Laboratory on Aero-Engines,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China)

The primary focus was to further understand the flow and heat transfer aspects of a special film cooling hole arrangement where the main film cooling hole was accompanied by two parallel anti-vortex jet holes.The cooling effectiveness and the interaction between the main hot stream and the coolant jets were simulated and compared with the standard single hole arrangement.It is found that the presence of anti-vortex jets decreased the size and the strength of the counter-rotating vortex pair of the main coolant jet and so is its mixing with the main hot stream.The surface film effectiveness value is improved asexpected.A bigger diameter of anti-vortex holes means more obvious improvement of film cooling.

film cooling;adiabatic effectiveness;jet;counter-rotating vortex pair

V 231.1

A

1001-5965(2010)11-1271-04

2009-10-26

劉曉紅(1982-),女,黑龍江肇東人,博士生,lxiaohong@buaa.edu.cn.