橫流通道對(duì)氣膜冷卻性能影響的數(shù)值研究

張陸新，南春雷，尤國林，韓震宇

（東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽 618000）

由于燃?xì)廨啓C(jī)的效率隨透平進(jìn)口溫度的提高而提高，因此，當(dāng)代先進(jìn)燃機(jī)透平進(jìn)口溫度逐年提高，并且已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了葉片金屬材料的耐熱溫度[1]，所以，對(duì)葉片采取高效的冷卻技術(shù)尤為重要。本文采用數(shù)值方法研究了不同吹風(fēng)比和不同橫流雷諾數(shù)下，光滑橫流通道和直肋橫流通道對(duì)氣膜冷卻性能的影響，為高溫葉片復(fù)合冷卻設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 計(jì)算模型

本文參照文獻(xiàn)[2]中的實(shí)驗(yàn)，建立了如圖1（a）所示的計(jì)算模型。該模型包括內(nèi)部橫流通道、氣膜孔和主流通道。同時(shí)，建立了2種橫流通道，即光滑通道，如圖1（b）所示，直肋通道，如圖1（c）所示。

圖1 計(jì)算模型

2 邊界條件

本文采用理想空氣作為工質(zhì)，參考相關(guān)實(shí)驗(yàn)[2-3]，計(jì)算模型壁面均按照絕熱處理，主流通道入口給定質(zhì)量流量0.064 kg/s，總溫為26.85℃，出口靜壓1 atm；橫流通道進(jìn)口總溫46.85℃。通過改變橫流通道入口質(zhì)量流量來調(diào)整橫流雷諾數(shù)，通過改變橫流通道出入口的質(zhì)量流量差來調(diào)整吹風(fēng)比。

3 湍流模型驗(yàn)證

本文采用商用軟件ANSYS CFX14.5求解RANS方程進(jìn)行計(jì)算。為了驗(yàn)證結(jié)果的準(zhǔn)確性，選取吹風(fēng)比為0.5，橫流雷諾數(shù)為80 000的工況，使用k-ε、k-ω和SST這3種湍流模型分別計(jì)算，并選取平板壁面橫向平均氣膜有效度判斷湍流模型的可靠性。圖2給出了3種計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[2]中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)k-ε湍流模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值最符合，且最大誤差小于15%，因此本文選取k-ε湍流模型進(jìn)行計(jì)算。

圖2 湍流模型驗(yàn)證

圖3 計(jì)算網(wǎng)格

4 計(jì)算網(wǎng)格

本文采用ANSYS ICEM 14.5軟件生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，計(jì)算網(wǎng)格如圖3所示。對(duì)壁面網(wǎng)格進(jìn)行加密，保證y（＋）滿足湍流模型的要求。經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，最終確定網(wǎng)格規(guī)模為350萬。

5 橫流對(duì)氣膜冷卻性能的影響

圖4給出了吹風(fēng)比M＝0.5時(shí)氣膜有效度分布云圖，由其可見相對(duì)于氣室進(jìn)氣結(jié)構(gòu)，光滑通道的平板氣膜分布向＋Y側(cè)偏斜，并且橫流雷諾數(shù)越大，氣膜分布的偏斜程度更大。但是，直肋通道的平板氣膜分布具有較好的對(duì)稱性，并且氣膜的覆蓋面積相較氣室結(jié)構(gòu)有所擴(kuò)大。由橫向平均氣膜有效度曲線可知，相對(duì)于氣室進(jìn)氣結(jié)構(gòu)，光滑通道的氣膜有效度比較低，且橫流雷諾數(shù)越大，氣膜冷卻性能越差。而直肋通道提高了氣膜有效度，同時(shí)，橫流雷諾數(shù)越大，氣膜冷卻性能越好。

接著增大吹風(fēng)比至M＝1.0，根據(jù)圖5給出的平板氣膜有效度分布云圖和橫向平均氣膜有效度曲線，可知?dú)馐医Y(jié)構(gòu)的氣膜冷卻性能降低。同時(shí)，光滑通道的平板氣膜覆蓋面積顯著增大，氣膜有效度提高，橫流雷諾數(shù)越大，冷卻性能越好。對(duì)于直肋通道，雖然冷卻性能相較光滑通道降低，但仍高于氣室進(jìn)氣結(jié)構(gòu)，且橫流雷諾數(shù)越大，氣膜冷卻性能越差。

圖4 M＝0.5時(shí)氣膜有效度分布云圖和橫向平均氣膜有效度曲線

圖5 M＝1.0時(shí)氣膜有效度分布云圖和橫向平均氣膜有效度曲線

繼續(xù)增大吹風(fēng)比至M=1.5，根據(jù)圖6給出的平板氣膜有效度分布云圖和橫向平均氣膜有效度曲線，可知?dú)馐医Y(jié)構(gòu)的氣膜冷卻性能進(jìn)一步惡化。同時(shí)，光滑通道的氣膜冷卻性能略有下降，在靠近氣膜孔處，氣膜冷卻性能隨橫流雷諾數(shù)的增大而減小，而在遠(yuǎn)離氣膜孔處，氣膜冷卻性能隨橫流雷諾數(shù)的增大而增大。直肋通道的氣膜冷卻性能繼續(xù)下降，但相對(duì)于氣室結(jié)構(gòu)仍改善了氣膜冷卻性能，橫流雷諾數(shù)越大，氣膜冷卻性能越差。

圖6 M＝1.5時(shí)氣膜有效度分布云圖和橫向平均氣膜有效度曲線

6 橫流對(duì)氣膜冷卻流動(dòng)結(jié)構(gòu)的影響

為了探究橫流對(duì)氣膜冷卻流動(dòng)結(jié)構(gòu)的影響，分別作出x/d＝1和x/d＝20不同截面上近壁面處的流線圖和溫度云圖進(jìn)行分析。本文選取橫流雷諾數(shù)為10 000和80 000的2種工況。由圖7給出的x/d＝1截面的流線圖和溫度云圖可知，直肋通道和氣室結(jié)構(gòu)在氣膜孔出口處流動(dòng)均為冷卻射流從氣膜孔射出，并形成一組對(duì)氣流具有上洗作用的反旋渦對(duì)，且隨著吹風(fēng)比的增加，冷卻氣流動(dòng)量增大，氣膜孔出口處射流高度比較高，壁面附近冷氣量變少，因此，氣膜冷卻性能變差。然而在光滑橫流通道結(jié)構(gòu)中，冷卻射流會(huì)分成兩股從氣膜孔出口兩側(cè)分別射出，并各自形成一組反旋渦對(duì)。

由圖8給出的x/d＝20截面的流線圖和溫度云圖可知，在射流與主流摻混的影響下，射流無量綱溫度降低，并在反旋渦對(duì)的上洗作用下，射流相對(duì)于x/d＝1截面高度有增加，因此，壁面氣膜有效度降低。對(duì)于光滑橫流通道，3號(hào)渦強(qiáng)度大，隨著射流發(fā)展，-Y側(cè)渦對(duì)被卷吸到壁面附近，4號(hào)渦逆時(shí)針上移。對(duì)于直肋橫流通道，反旋渦對(duì)中-Y側(cè)渦更強(qiáng)并靠近中心線，削弱氣流上洗作用，氣膜冷卻性能提高。

圖7 x/d＝1截面流線圖和溫度云圖

圖8 x/d＝20截面流線圖和溫度云圖

7 結(jié)論

本文建立了光滑橫流通道和直肋橫流通道的氣膜冷卻計(jì)算模型，通過數(shù)值模擬方法，研究了不同吹風(fēng)比和橫流雷諾數(shù)工況條件下，不同橫流通道中橫流對(duì)氣膜冷卻性能的影響。研究結(jié)果表明：①相對(duì)于氣室結(jié)構(gòu)，光滑通道中的橫流在低吹風(fēng)比下會(huì)削弱氣膜冷卻性能，且橫流雷諾數(shù)越大氣膜冷卻性能越差，但在高吹風(fēng)比下會(huì)顯著提高氣膜冷卻性能，且橫流雷諾數(shù)越大，氣膜冷卻性能越好。②相對(duì)于氣室結(jié)構(gòu)，直肋通道中的橫流在各吹風(fēng)比下均會(huì)提高氣膜冷卻性能，但在低吹風(fēng)比下，橫流雷諾數(shù)越大，氣膜冷卻性能越好，在高吹風(fēng)比下則相反。③與光滑通道相比，直肋通道中的橫流在低吹風(fēng)比下會(huì)提高氣膜的冷卻性能，在高吹風(fēng)比下則相反。

［1］Han J-C，Dutta S，Ekkad S.Gas turbine heat transfer and cooling technology［M］.Boca Raton：CRC Press，2012.

［2］駱劍霞.渦輪葉片內(nèi)冷結(jié)構(gòu)對(duì)外部氣膜冷卻特性的影響研究［D］.西安：西北工業(yè)大學(xué)，2014.

［3］Xie G，Liu X，Yan H.Film cooling performance and flow haracteristics of internal cooling channels with continuous/truncated ribs［J］.International Journal of Heat&Mass Transfer，2017（105）：67-75.