三角形渦發生器增強U型通道換熱性能研究

（東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000）

三角形渦發生器增強U型通道換熱性能研究

梁崇治，陶志，宋立明

（東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000）

將三角形渦發生器及導葉結構應用于U型通道中，以提高燃氣輪機高溫葉片內部換熱性能。在驗證分析方法正確性的基礎上，數值研究了采用不同結構時U型通道內的流動及換熱特性。與典型的布置斜肋的U型通道不同，三角形渦發生器通過誘導產生下洗渦對，從而有效地強化U型通道的換熱能力。而將導葉布置于U型通道轉折處，可進一步提高三角形渦發生器在U型通道流出段的換熱性能，并降低通道的阻力損失。和典型的布置斜肋的U型通道相比，在不同雷諾數下帶導葉且布置三角形渦發生器的U型通道內換熱的均勻性顯著提高，在通道換熱能力相當的情況下，阻力損失顯著降低，綜合換熱性能提高20.0%左右。

三角形渦發生器，U型通道，導葉，強化換熱

1 前言

為了提高燃氣輪機的熱經濟性，透平進口溫度越來越高，已遠遠超過了葉片材料的熔點。因此，采用多種高效的冷卻技術對燃機葉片進行冷卻和熱防護是保證燃氣輪機安全可靠運行的關鍵。葉片內部通道肋片擾流冷卻是目前常用的冷卻方式之一。最早使用在內部通道中的肋片是正方形截面的90°直肋[1]，在氣流流過肋片時，在肋片下游產生流動分離和再附，增強了湍流混合，減薄了邊界層，從而提高了通道換熱性能。Han等[2-3]指出當肋片與主流呈一定角度（如：斜肋、V型肋、W型肋）時，還能產生“肋片誘導渦”，能進一步增強主流流體和壁面低能流體的湍流混合，從而提高換熱。Han等[4]研究表明，相比于連續肋片，間斷肋片破壞了正常的二次流結構，產生了額外的“誘導渦”，導致湍流混合的增強，從而提高換熱。Rallbandi等[5-6]實驗研究了波紋狀截面肋片的換熱和阻力特性，指出圓角導致肋片換熱效果的改變并不顯著，但是阻力損失降低明顯。

除了傳統的肋片擾流結構，采用渦發生器強化通道換熱性能的研究也得到了廣泛關注。Han等[7]實驗研究了楔形和三角形渦發生器的換熱和壓力損失特性，結果表明，三角形肋片和楔形肋片相比，強化換熱效果更好，壓損更小。Liou等[8]實驗研究了在直通道內分別布置12種渦發生器時的換熱和阻力特性，指出布置與通道等寬的三角形渦發生器具有最高的等泵功條件下的換熱性能和換熱均勻性。Henze等[9]實驗測量了在直通道內布置單個三角形渦發生器時的換熱和流動特性，指出下洗渦對的產生是其強化換熱的本質原因，并研究了渦發生器尺寸和雷諾數對換熱的影響。Henze等[10]實驗研究了一列和一排布置的三角形渦發生器對直通道內的換熱特性的影響，指出渦系之間的相互作用是影響換熱的主要原因。近年來，在U型通道中布置導葉的研究也逐漸開展。Chen等[11]實驗和數值研究了導葉對斜肋U型通道換熱和阻力特性的影響，指出導葉對U型通道內換熱的改善并不顯著，但是明顯降低了通道內的阻力損失。Lee等[12]實驗研究了不同結構的導葉對U型通道換熱和阻力特性的影響。

本文將三角形渦發生器和導葉應用于U型通道中，并在驗證分析方法正確性的基礎上，數值研究了不同雷諾數下三角形渦發生器及導葉對U型通道內的流動及換熱特性的影響，闡明了其強化換熱機理。

2 幾何模型

為了研究三角形渦發生器及導葉對U型通道內流動和換熱特性的影響，構建了3個計算模型。模型1采用文獻[13]給出的45°斜肋U型通道，一方面驗證本文的數值方法，另一方面作為參考與三角形渦發生器進行對比。另外兩個模型中U型通道尺寸均與第一個模型保持一致，U型通道的寬高比為1∶2，截面尺寸為12.7 mm×25.4 mm。模型1中，在U型通道流入段和流出段各布置9根45°斜肋，如圖1（a）所示，肋片截面為正方形，肋高e=1.59 mm，肋片間距p/e=10。模型2采用三角形渦發生器來強化U型通道換熱性能，在U型通道流入段和流出段各布置8個三角形渦發生器，三角形渦發生器距U型通道進出口距離為6.35 mm，三角形渦發生器間距為15.24 mm，如圖1（b）所示。三角形渦發生器的尺寸如圖1（c）所示。模型3在模型2的基礎上，在通道轉折處加裝了導葉。導葉的型線為圓弧[14]，尺寸如圖1（d）所示。

圖1 幾何模型

3 數值方法

3.1計算網格

本文采用ICEM軟件生成結構化網格。為了保證網格質量，在U型通道轉折處采用C型網格劃分，在三角形渦發生器區域采用Y型網格劃分，在導葉區域采用O型網格劃分，其他區域采用H型網格劃分，局部網格細節如圖2所示。所有壁面附近均進行網格加密，保證離開壁面第一層網格值小于1，以滿足湍流模型的要求。經過網格無關性驗證，確定3個計算模型的網格數量分別為320萬、370萬和390萬。

圖2 計算網格

3.2邊界條件

本文以空氣作為工質，采用商業軟件CFX求解三維穩態RANS方程，湍流模型采用SST k-ω模型。本文所有計算模型的邊界條件設定與文獻[13]一致。圖3給出了帶導葉的三角形渦發生器U型通道的計算模型，進口給定速度Ui，靜溫298.15 K，湍流度5%，出口給定大氣壓，換熱面給定恒定壁溫338.15 K。由于在上、下壁面對稱布置擾流結構，故計算模型只選取一半，采用對稱面邊界設定。其余壁面設定為絕熱無滑移邊界。為了保證數值計算的準確性，在U型通道進、出口處均添加了長度為10倍水力直徑的延長段。其中進口速度Ui由當量直徑Dh和雷諾數Re決定，即：

本文對雷諾數為10 000、25 000和40 000的3個工況進行了計算。

圖3 計算模型示意圖

3.3數值方法驗證

圖4給出了Re=25 000工況下的數值計算得到的斜肋通道區域平均Nu/Nu0與實驗值[13]的對比。其中，表征通道換熱性能的努賽爾數Nu的定義為：

式中：qw為壁面熱流密度；λ為流體的導熱系數；Tw和Tb分別為壁面溫度和冷卻氣體進、出口平均溫度；Dh為通道進口截面水力直徑。

以Nu/Nu0表示強化換熱結構引起的換熱增強因子，其中，Nu0為相應流動參數下光滑通道中充分發展流動的努賽爾數[13]：

從圖4可以看出，計算結果與實驗值在趨勢上吻合較好，在通道流入段計算結果最大偏大11.0%，在通道流出段計算結果最大偏大8.0%。

圖5給出了3種雷諾數下斜肋冷卻通道換熱面平均Nu/Nu0與實驗值的對比，計算值相對實驗值分別偏大8.5%、10.5%和10.8%。由于實驗[13]中換熱測量的不確定性為7%～21%，因此本文所采用的數值方法是可靠的。

圖4 Re=25 000時區域平均Nu/Nu0對比

圖5 不同雷諾數下通道平均Nu/Nu0對比

4 計算結果與分析

4.1不同結構的換熱和阻力特性比較

圖6給出了Re=25 000時，布置不同結構的U型通道Nu/Nu0分布云圖。相比于斜肋冷卻通道，三角形渦發生器冷卻通道中的換熱分布更加均勻。此外，布置導葉能顯著提高U型冷卻通道流出段的換熱性能。

圖6 不同結構的Nu/Nu0分布云圖

圖7給出了不同雷諾數下，3種結構的通道平均Nu/Nu0分布。可以看出，在3種雷諾數下，帶導葉的三角形渦發生器冷卻通道的換熱性能與典型的斜肋冷卻通道相當，而不帶導葉的渦發生器通道換熱性能略有降低。

圖7 不同結構的通道平均Nu/Nu0分布

圖8給出了不同雷諾數下，3種結構的無量綱摩擦系數f/f0分布。其中，表征通道中的阻力特性的摩擦系數f定義為：

式中：Δp為通道進、出口壓差；u為進口速度；Dh為通道水力直徑；L為通道的流向總長度。

f0表示對應光滑通道中充分發展流動的摩擦系數，其表達式[13]為：

圖8 不同結構的f/f0分布

從圖8可以看出，相比于斜肋冷卻通道，采用三角形渦發生器能顯著降低U型通道的摩擦系數，而布置導葉能夠進一步降低U型通道的摩擦系數。

為了全面評估強化換熱結構的換熱與阻力特性，定義綜合換熱性能[13]為：

圖9給出了不同雷諾數下，3種結構的綜合換熱性能比較。可以看出，相比于斜肋冷卻通道，布置三角形渦發生器的兩種U型通道的綜合換熱性能均顯著提高。3種雷諾數下，不帶導葉的渦發生器冷卻通道相比斜肋冷卻通道分別提高9.8%、6.8%、9.1%。帶導葉的渦發生器冷卻通道相比斜肋冷卻通道，分別提高18.4%、17.1%、21.0%。表明三角形渦發生器和導葉的組合布置能顯著提高U型通道內的綜合換熱性能。

圖9 不同結構的綜合換熱性能對比

4.2渦發生器冷卻通道內流動與換熱特性分析

U型通道內復雜的三維流動結構對其換熱有重要影響。圖10給出了布置三角形渦發生器的U型通道內渦系結構。渦發生器誘導產生了反向旋轉的下洗渦對，該渦對的兩個分支在向下游發展過程中逐漸向兩側分開，最終會向上抬升與上游的下洗渦對卷吸并匯合到一起，并繼續往下游運動。在渦發生器的側壁會形成角渦，角渦沿著側壁向下游運動，從渦發生器脫離以后，最終與通道側壁的角渦匯合，且兩者旋向一致。這些渦系結構的產生和交互作用產生了強化換熱的效果。

圖10 渦核結構示意圖

圖11給出了斜肋和三角形渦發生器通道流向截面的流線分布。在斜肋的下游會產生較大流動分離，這是其流動阻力大的主要原因。而三角形渦發生器產生的縱向渦系結構，對主流的阻滯作用更小，在下游基本上不會產生流動分離區，因而三角形渦發生器具有很低的流動阻力。

圖11 流向截面流線

圖12給出了流入段4個橫截面上的二次流流線和流向渦量分布。下洗渦對形成于渦發生器的頂部，然后沿著頂面下洗運動并不斷發展壯大。經過渦發生器以后，下洗渦對在向下游發展過程中，下洗渦對的兩個分支逐漸向兩側分開，并且渦對的強度逐漸減弱。從給出的4個截面上均可以看到，通道底面和兩側壁面的夾角處形成了壁角渦，其旋向與對應側的下洗渦對分支的旋向相反。另外，在渦發生器左右兩側存在范圍較大且強度較弱的渦對，這是上游的渦系在下游的延續發展形成的，這會導致下游下洗渦對的強度不斷增加，因此使得其換熱性能不斷加強。

圖12 流入段橫截面處流線及渦量分布

圖13給出了截面3和截面4與通道換熱面的交線上的Nu/Nu0分布。交線1和交線2上Nu/Nu0最大的位置與圖12（d）和12（e）中箭頭所示位置是對應的。在交線1上，換熱最強的位置出現在通道中心線附近，而隨著下洗渦對向下游兩側發展，換熱最強的位置出現在通道兩側下洗渦對分支的渦核附近，如圖12（e）所示。這是由于下洗渦對增強了主流流體和近壁面低能流體之間的湍流混合，顯著提高了強化換熱效果。由于下洗渦對往下游兩側的發展過程中，其強度減弱，故其增強換熱的效果有所降低，但是換熱性能的橫向分布更加均勻。另外，交線2上靠近通道兩側壁面位置出現Nu/Nu0升高，且高于交線1對應位置，這是由于渦發生器側壁角渦與通道側壁角渦匯合并共同作用的結果。

圖13 不同位置橫向Nu/Nu0分布

U型通道轉折處流動復雜，導致流出段的流動與換熱特性不同于流入段[15]。圖14對比了Re= 25 000工況下不帶導葉和帶導葉渦發生器冷卻通道沿流動方向的區域Nu/Nu0分布。可以看出，導葉對流入段的流動與換熱特性影響甚微，與文獻[11]的結果一致。在流入段，兩種通道的Nu/Nu0均逐漸升高，這是由于下洗渦對在向下游運動過程中與上游渦系匯合并逐漸增強所導致的。導葉對流出段的換熱有顯著的影響，采用導葉使得U型通道轉折區域的Nu/Nu0提高約4%，流出段Nu/Nu0提高約17%。

圖14 區域平均Nu/Nu0分布

圖15給出了不帶導葉和帶導葉的渦發生器冷卻通道轉折處的壁面極限流線和壓力分布。從圖中可以看出，導葉抑制了轉折處流動分離的發生，從而降低了流動阻力。氣流經過通道轉折區域時，發生沖擊、偏轉、流動分離，導致流線向流出段內側偏移。而安裝了導葉以后，氣流方向與通道中心線平行，更加有利于下洗渦對的形成與發展。

圖15 轉折處極限流線和壓力

圖16給出了不帶導葉和帶導葉的渦發生器冷卻通道的二次流渦核結構。采用導葉結構后，削弱了氣流180°轉折導致的復雜二次流結構，增強了流出段下洗渦對靠近通道外側的分支的強度，使得下洗渦對的強度和對稱性得到明顯提升，因而具有和流入段相似的分布。

圖16 U型通道二次流渦核結構

5 結論

本文采用數值方法，對不同雷諾數下布置導葉及三角形渦發生器結構的U型通道的換熱性能及阻力特性進行了研究，主要結論如下：

（1）在不同雷諾數下，不帶導葉和帶導葉的三角形渦發生器U型冷卻通道的綜合換熱性能均優于斜肋U型通道。相比于典型的斜肋U型通道，帶導葉且布置三角形渦發生器的U型通道內的換熱均勻性顯著提高，并且在換熱能力相當的情況下，阻力損失顯著降低，綜合換熱性能提高20%左右。

（2）三角形渦發生器通過誘導產生下洗渦對，增強了主流與近壁面低能流體之間的湍流混合，能有效強化U型通道內的換熱性能。另外，不同于斜肋結構，三角形渦發生器產生的縱向渦系結構，對主流的阻滯作用更小，且不會導致下游分離區的產生，從而顯著降低了流動阻力。

（3）U型通道轉折處的流動非常復雜，在U型通道的轉折處布置導葉，可以明顯改善轉折處的流動，顯著提高布置三角形渦發生器的U型通道流出段的換熱性能，并進一步降低通道內的流動阻力損失。

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Study on Heat Transfer Enhancement of U-shaped Channel Equipped with Delta-shaped Vortex Generator

Liang Chongzhi，Tao Zhi，Song Liming
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

In order to improve the heat transfer performance in gas turbine blade internal cooling system,the delta-shaped vortex gen?erators and turning vane are used in the U-shaped channel.Upon numerical validation,the flow and heat transfer characteristic of the U-shaped channel equipped with different structures are analyzed.Unlike the U-shaped channel equipped with typical angled ribs, the delta-shaped vortex generators can effectively enhance the heat transfer capability in the U-shaped channel by inducing downwash vortex pairs in the flow passage.Then,by adding a turning vane at the turning of the U-shaped channel equipped by vortex gener?ators,the heat transfer capability in outlet channel is further improved,and the friction loss in the passage is reduced.The uniformity of heat transfer in U-shaped channel equipped with turning vane and delta-shaped vortex generators is significantly improved at differ?ent Reynolds numbers,when compared with that of the U-shaped channel equipped with typical angled ribs.Provided that the heat transfer enhancement in flow passage of U-shaped channel is equal,the friction loss of the former design equipped with turning vane and delta-shaped vortex generators is significantly reduced.Consequently,the thermal performance of the former design is increased by 20%.

delta-shaped vortex generator，U-shaped channel，turning vane，heat transfer enhancement

V232

A

1674-9987（2016）04-0018-07

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.04.005

梁崇治（1977-），男，工學學士，工程師，畢業于西安交通大學熱動力專業，主要從事熱動力機械設計、質量管理工作。