帶槽雙射流氣膜冷卻數值研究

廖高良,王新軍,李軍

(西安交通大學能源與動力工程學院, 710049, 西安)

帶槽雙射流氣膜冷卻數值研究

廖高良,王新軍,李軍

(西安交通大學能源與動力工程學院, 710049, 西安)

針對雙射流氣膜冷卻在提高氣膜冷卻效率中存在橫向冷卻效果不佳的問題,提出了一種帶槽結構的雙射流氣膜冷卻方式,即在氣膜孔出口處垂直于流向橫開一槽,并在平均吹風比為1.9時,采用CFX商用軟件及剪切應力輸運湍流模型對帶槽雙射流結構的流動與冷卻特性進行數值研究,獲得了橫槽傾角對氣膜冷卻特性的影響規律。研究結果表明:在相同孔間距下,帶槽結構能明顯改善氣膜在被冷卻壁面的橫向分布,增大氣膜的橫向覆蓋面積,有效提高氣膜冷卻效率;不同的橫槽傾角對氣膜冷卻效率具有重要的影響,傾角均為30°時的方案冷卻效果最好;沿中心線遠離氣膜孔處出現未冷卻區域,這可能與吹風比、橫槽傾角、槽寬等參數有關。研究結果為射流冷卻的流動與換熱特性研究提供了參考依據。

氣膜冷卻;帶槽雙射流;冷卻效率;數值模擬

提高燃氣透平進口溫度可以有效地改善燃氣輪機的熱效率,增加透平輸出功率。現代燃氣輪機航空發動機透平進口溫度最高已經達到2 000 K[1],遠遠超過了目前金屬材料所能承受的極限溫度,為了保證燃氣輪機安全可靠的運行并延長使用壽命,必須對透平高溫部件進行有效的冷卻保護。氣膜冷卻作為一種重要的冷卻保護措施,通過在被冷卻表面形成一層氣膜,使得金屬材料與高溫燃氣隔開,從而達到冷卻保護的作用。近幾十年來,國內外許多學者對氣膜冷卻做了研究,發現冷卻孔結構與布局對氣膜冷卻效率的影響很大,改進和完善冷卻孔結構是提高氣膜冷卻性能的重要途徑。Goldstein(1969)最早研究了傾斜圓孔對氣膜冷卻效率的影響[2]。Gritsch等人對圓形孔、扇形孔和后傾扇形孔進行了研究,對比了它們的氣膜冷卻效率[3]。Thole等人實驗研究了不同氣膜孔出口形狀的流動特性,結果表明成型孔具有較好的橫向冷卻效果[4]。劉存良等對收縮-擴張型氣膜孔冷卻效率進行了數值研究[5]。

Kusterer等人為消除腎形渦對對氣膜冷卻效率的影響,提出了一種雙射流氣膜冷卻結構[6-10]。雙射流氣膜冷卻結構是由一對相鄰的具有相反復合角的圓形氣膜孔組成。理想情況下,這種結構可以在氣膜孔出口處形成一對對稱的反腎形渦,阻止高溫燃氣向壁面卷吸并且可以使冷卻氣體更好地附著在被冷卻表面上,從而提高氣膜的冷卻效率。Kusterer等人提出的雙射流結構橫向冷卻效果不佳,為達到足夠的橫向冷卻效果需要在側向布置更多的氣膜孔來增加冷卻空氣的消耗。鑒于孔與孔之間的區域冷卻效果比較薄弱,一些研究者提出了離散孔與縫槽相結合的思想。Lu等人對單一孔帶槽結構進行了研究,結果表明當槽深為0.75倍孔徑時可獲得最好的冷卻效果[11-12]。

本文在雙射流氣膜冷卻結構的基礎上,結合前人對橫槽結構的研究,提出了一種改進的冷卻結構,即在氣膜孔出口處沿著與流動垂直方向開一個橫槽(帶槽雙射流氣膜冷卻結構),采用CFX商用軟件,數值研究了帶槽雙射流氣膜結構的冷卻特性,并與原雙射流氣膜冷卻結構進行了對比。

1 計算模型與數值方法

1.1 幾何模型

圖1為Kusterer等人提出的雙射流氣膜冷卻結構[6]示意圖,圖2是本文提出的帶槽雙射流氣膜冷卻結構示意圖。

P1、T1:主流氣體進口總壓、總溫;P2:主流出口靜壓;Pc、Tc:冷卻氣體進口總壓、總溫;P2,c:冷卻氣體出口靜壓;D:氣膜孔孔徑

α、β:槽上、下游擋板傾角

為了便于對比,兩種結構的氣膜孔相對位置、孔徑以及計算域完全相同,差別在于后者將雙射流氣膜孔布置在一個與主流方向垂直、寬W為23.75mm的橫槽內。取第2個孔出口中心為坐標原點,圖中x表示主流方向,y方向垂直主流向上,z為橫向;孔1與孔2沿x軸布置,孔間距S為3D;氣膜孔的孔徑D為3 mm,孔長L與D比值為7,氣膜孔軸線與主流方向的空間夾角為30°。根據Lu等人的研究成果選取槽深為2.25mm(即0.75D)。本文數值研究了Kusterer提出的雙射流結構和5種帶槽雙射流氣膜結構的冷卻特性,具體結構參數見表1。

表1 不同橫槽結構的幾何參數

1.2 數值方法

采用CFX商用軟件對Kusterer的雙射流結構和帶槽雙射流結構的氣膜冷卻特性進行了數值模擬。由于結構的復雜性,所以將整體計算域分割成3個部分:冷卻氣體通道、氣膜孔和主流氣體通道。對這3部分采用不同的網格生成方法,其中冷氣和主流氣體通道采用六面體結構化網格,氣膜孔及附件區域采用四面體非結構化網格,網格均在ICEM CFD中生成。為保證計算的準確性以及節省計算機資源,對網格進行了無關性驗證以獲得最優網格數目。如圖3所示,對Kusterer方案的網格無關性進行了驗證,結果表明,當網格數大于110萬時則認為數值與網格數無關。對所有結構,本文最后選取網格數為110～140萬作為計算網格數目。將壁面第1層網格Y+(Y Plus)值控制在5～30之間,以滿足湍流模型對壁面網格布置的要求。

圖3 網格無關性驗證

Kusterer在吹風比為1.0時,研究了雙射流結構的氣膜冷卻特性[8],本文采用SST湍流模型對雙射流結構進行了數值模擬,計算模型和邊界條件與文獻[8]中的條件完全相同。圖4是數值計算結果與實驗數據[8]的比較曲線,圖中橫坐標x/D是軸向的相對值,縱坐標是絕熱氣膜冷卻效率

(1)

式中:Taw為絕熱壁面溫度;T∞為主流氣體進口總溫;Tc為冷卻氣體進口總溫。

吹風比為冷氣與主流氣體的質量流量比

(2)

式中:ρc為冷卻氣體密度;uc為冷卻氣體速度;ρ∞為主流密度;u∞為主流速度。

圖4 數值計算結果與Kusterer實驗數據的比較曲線

從圖4中可以看出,模擬結果與實驗結果吻合較好,說明SST模型是適用的。本文后續的計算均采用SST湍流模型。

1.3 邊界條件

冷卻氣體和主流氣體為理想空氣,對于氣膜孔出口,M=1.9。主流進口和冷卻通道進口均給定總壓總溫,壓比和溫比分別為0.8752,2.286;主流與冷卻通道出口給定靜壓,壓比為0.812,湍流強度為5%,沿z軸兩側設為周期性壁面,其余面均為無滑移絕熱壁面。

2 計算結果與分析

2.1 溫度分布與流線圖

為了分析帶槽與不帶槽雙射流氣膜冷卻結構的流動與換熱特性,選取了Kusterer方案和B方案作為分析對象。圖5、圖6分別為Kusterer方案和B方案沿流向不同截面的溫度分布云圖與流線圖,所選取的截面依次為x/D=1,6,11,16。從截面上的溫度分布可以看出,被冷卻區域沿高度方向不斷增加。從氣膜孔出口噴出的冷卻氣體具有垂直方向的速度分量,沿流向冷卻氣體不斷被抬離壁面,射入主流區并與主流氣體混合,從而導致主流區溫度降低,下游遠離孔的區域冷卻效果不佳。導致冷卻氣體抬離壁面的主要因素是在壁面附近形成了腎形渦。腎形渦使得主流高溫氣體沖擊壁面,冷卻氣體不斷被抬離壁面,降低了氣膜冷卻效率。雖然雙射流氣膜冷卻結構形成一對相反的腎形渦,可以在一定程度上減少冷氣的抬離,但并沒有形成理想的對稱反腎形渦對,因此仍有部分冷卻氣體射入主流,導致冷卻效果降低。

(a)溫度分布

(b)流線圖

可以看出,沿流向壁面溫度逐漸升高,即冷卻效果不斷降低,這主要是因為冷卻氣體射入主流,與主流混合,減少了與壁面接觸的冷氣流量,導致壁面溫度上升。Kusterer方案,在氣膜孔出口處冷卻氣體速度低于主流氣體,受主流氣體影響不斷向孔下游發展,使得橫向流動較弱,無法在橫向形成有效的氣膜保護,如圖5所示

對比圖6和圖5,帶槽雙射流結構(如B方案)在橫向形成了較寬的冷卻保護區域,相比于Kusterer方案具有更好的橫向冷卻效果。帶槽雙射流結構中,主流氣體經過橫槽結構時,面積突然增大,流動速度降低。在冷卻氣體動量不變的情況下,冷卻氣體與主流氣體的動量比增大,使得主流對冷卻氣體的影響降低,從而減小了冷卻氣體橫向流動的阻力,增加了橫向氣膜的覆蓋率,改善了整體氣膜冷卻的效果。由流線圖可以看出,冷卻氣體具有較寬的橫向分布。

受冷卻氣體橫向分布的影響,帶槽雙射流氣膜冷卻結構沿孔中心線下游x/D>12處出現狹窄的未冷卻區域,如圖6所示。冷卻氣體在橫向覆蓋區域的增加,使得中心區域冷卻氣體量減少,從而導致在孔的下游中心線附近出現未冷卻區域。為提高帶槽雙射流結構的氣膜冷卻效果,可以通過改變槽的結構參數等方式來改善孔下游區域中心線附近的冷卻效果,這需要對槽結構進行更深入的研究,具體工作還在進行中。

(a)溫度分布

(b)流線圖

2.2 氣膜冷卻效率

實際上,燃氣輪機透平各部件內部有熱量交換,并不是絕熱的。模擬真實的冷卻過程需要考慮流體與固體之間的流熱耦合。本文只是對帶槽雙射流氣膜冷卻結構的機理進行了研究,故假設壁面是絕熱的。絕熱氣膜冷卻效率是評判氣膜冷卻效果的參數。沿流向選取截面x/D=-2,x/D=1和x/D=6,圖7為不同截面橫向絕熱氣膜冷卻效率的分布。Kusterer雙射流結構只在-0.005m

(a)x/D=-2

(b)x/D=1

(c)x/D=6

圖8給出了Kusterer方案以及5種帶槽雙射流結構的橫向平均絕熱氣膜冷卻效率沿流動方向的分布。橫向平均絕熱氣膜冷卻效率是對橫向面積積分得到的,由圖5和圖6可以看出,部分橫向區域并沒有被冷卻,從而導致橫向平均氣膜冷卻效率較低,均小于0.45。從圖7可以看出,帶槽雙射流冷卻結構(A、B、C、D和E方案)的氣膜冷卻效率遠高于不帶槽雙射流冷卻結構(Kusterer方案)的冷卻效率。B方案的平均氣膜冷卻效率最大值出現在槽上游擋板處,受擋板的影響,冷卻氣體緊貼壁面并且向兩側流動,使得擋板附近氣膜冷卻效率增加。A方案的氣膜冷卻效率在孔出口處達到極值,然后隨著冷卻氣體與主流的混合逐漸減小。同時,由于缺少擋板的作用,所在第一個氣膜孔的上游冷卻效率幾乎為0。在平均吹風比為1.9時,B方案具有最好的氣膜冷卻效率,最大氣膜冷卻效率為Kusterer方案最大效率的3.43倍。在第二個氣膜孔出口下游,即x/D=3處,各結構平均氣膜冷卻效率達到極大值,其中B方案的氣膜冷卻效率為0.418 06,遠大于Kusterer方案的0.113 22,其余4種結構的平均氣膜冷卻效率分別為B方案的0.853、0.807、0.906和0.884倍。

圖8 橫向平均絕熱氣膜冷卻效率

3 結 論

本文提出了帶槽雙射流氣膜冷卻結構,在平均吹風比1.9條件下對雙射流冷卻和不同槽結構雙射流冷卻進行了數值研究,結論如下。

(1)帶槽雙射流冷卻結構可以很好地改善氣膜在被冷卻壁面的橫向分布,增大氣膜的橫向覆蓋面積,有效地提高了氣膜冷卻效率。

(2)所選取的5種帶槽雙射流冷卻結構中,B方案具有最好的氣膜冷卻效果。

(3)對于帶槽雙射流結構,沿中心線遠離孔(下游x/D>12)處出現未冷卻區域,這可能與吹風比、橫槽傾角、槽寬等參數有關。要深入了解帶槽雙射流冷卻的流動與換熱特性并改善孔下游區域的冷卻效果,還需要對不同吹風比以及槽結構進行更多的研究。

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(編輯 管詠梅 苗凌)

NumericalInvestigationtoDouble-JetFilm-CoolingwithTrench

LIAO Gaoliang,WANG Xinjun,LI Jun

(School of Energy Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

Double-jet film-cooling is able to significantly improve the film cooling effect, whereas has poor lateral cooling result.A new double-jet film cooling with trench is presented.The film holes are embedded in transverse trench perpendicular to the flow direction.To consider the influence of trench inclined angles on the film cooling characteristic, commercial software CFX and shear stress transport (SST) turbulence model are applied to numerically investigate the flow and film cooling characteristics of the double-jet film-cooling with trench at the averaged blowing ratio of 1.9.It is shown that the configuration with trench obviously improves the film transverse distribution on the cooled surfaces, and increases the film transverse cover area and enhances the film cooling effectiveness.The trench inclined angle greatly affects film cooling effectiveness, which reaches the best in the case of 30°.An uncooled zone far from the film holes along the centerline is found, which may be related to the blowing ratio, trench inclined angles and trench width.

film cooling; double-jet film-cooling with trench; numerical investigation; cooling effectiveness

10.7652/xjtuxb201403007

2013-07-29。

廖高良(1988—),男,博士生;王新軍(通信作者),男,副教授。

TK474.7

:A

:0253-987X(2014)03-0034-05