燃氣透平榫頭/榫槽裝配間隙流動與換熱特性研究

摘要：為精確設計燃氣輪機二次空氣系統(tǒng)，針對燃氣透平動葉榫頭/榫槽間隙內(nèi)的流動與換熱問題開展研究。以燃氣透平動葉榫頭/榫槽配合面S形間隙結構為研究對象，試驗研究了榫頭/榫槽裝配間隙內(nèi)的流阻與換熱特性，并數(shù)值分析了其詳細流動結構。首先，采用壓力掃描閥和熱色液晶測溫技術測量了榫頭/榫槽內(nèi)的流阻和努塞爾數(shù)分布。然后，利用試驗結果對所采用的數(shù)值計算方法進行了考核，并進行了網(wǎng)格無關性驗證。最后，詳細分析了5種雷諾數(shù)、5種結構參數(shù)榫頭/榫槽高度及5種間隙寬度下榫頭/榫槽裝配間隙結構內(nèi)部流動與換熱特性。結果表明：在試驗測量范圍內(nèi)，左側壁面的平均努塞爾數(shù)始終比右側高10%左右；隨著雷諾數(shù)的增大，榫頭/榫槽裝配間隙的阻力損失系數(shù)和換熱強度均逐漸增大，當雷諾數(shù)從15 000增大到35 000時，平均阻力系數(shù)增大了2倍，兩側面整體平均努塞爾數(shù)均增大了1.1倍；隨著榫頭/榫槽裝配間隙相對高度的增大，阻力損失系數(shù)及壁面努塞爾數(shù)均逐漸減小；隨著榫頭/榫槽裝配間隙寬度的增大，試驗范圍內(nèi)平均阻力系數(shù)增大了30.7%，左右兩側面平均努塞爾數(shù)分別增大了95.5%和94.9%。

關鍵詞：榫頭/榫槽裝配間隙；流動特性；換熱特性

中圖分類號：TK474.7.文獻標志碼：A

DOI：10.7652/xjtuxb202405009.文章編號：0253-987X（2024）05-0088-11

Study on Flow and Heat Transfer Characteristics of Tenon

Joint Gap Between Gas Turbine Blade and Disk

Abstract：In order to design the secondary air system of gas turbine accurately， the flow and heat transfer in the tenon joint gap of gas turbine rotor blade and disk are studied. The flow resistance and heat transfer characteristics of the S shaped tenon joint gap between blade and disk in gas turbine are investigated experimentally， and detailed flow field is studied numerically. Firstly， the flow resistance and Nusselt number of the gap are measured by pressure scanning valve and thermochromic liquid crystal， respectively. Then the turbulence model used in numerical calculation is validated by the experimental results， and the grid independence is verified. At last， the effects of flow and structure parameters on tenon joint gap flow and heat transfer are analyzed， in which， five different Reynolds numbers， five different relative heights of the gap and five different widths of the gap are conducted. The results show that the average Nusselt number on the left wall is consistently around 10% higher than that on the right side. As the Reynolds number increases， the flow resistance coefficient and heat transfer intensity of the assembly gap increase gradually. When the Reynolds number increases from 15 000 to 35 000， the average flow resistance coefficient and the average Nusselt number on both sides increases by 300% and 110% respectively. With the increase of the relative height of the assembly gap， the flow resistance coefficient and the wall average Nusselt number decrease gradually. Increasing the gap width leads to a 30.7% average flow resistance coefficient increase within the test range， with the average Nusselt number on both sides increasing by 95.5% and 94.9% respectively.

Keywords：mortise and tenon assembly gap; flow characteristic; heat transfer characteristics

燃氣輪機透平葉片的榫頭/榫槽結構中存在一對鋸齒狀的裝配間隙。這種間隙中間通流截面寬，兩頭通流截面窄，呈現(xiàn)S形，局部還可能出現(xiàn)死角。榫頭/榫槽這一復雜間隙結構對其間流體流動和換熱會帶來較大影響，而流動與換熱特性又影響葉片與輪盤的溫度分布［1］，進而影響燃氣透平的運行安全。為得到較為準確的燃氣輪機透平葉片及輪盤溫度場，有必要對榫頭/榫槽裝配間隙中流動與傳熱機理開展更深入的研究。

國內(nèi)外針對微小通道流動換熱的研究主要采用簡化模型，主要包括圓管、三角型管、矩形管、圓環(huán)管等形狀規(guī)則的通道，且集中于換熱器微通道流動與換熱研究［2-6］，以及透平葉片內(nèi)部冷卻結構的流動與換熱研究［7-10］。對于榫頭/榫槽結構，目前基本都集中于對其結構的優(yōu)化以降低榫頭/榫槽連接處的應力集中，進一步提高疲勞壽命，而對其流動傳熱的研究相對較少。段玉發(fā)等［11］以放大3倍后的實際燃機透平榫頭/榫槽結構為研究對象，對S形榫頭/榫槽裝配間隙結構的流動特性與換熱特性進行了試驗研究。劉永葆等［12］在分析燃氣輪機高壓渦輪的葉片時，將輪盤和葉片之間的榫頭/榫槽裝配間隙內(nèi)的傳熱過程轉化為對流傳熱過程。馬曉騰等［13］通過相似原理將實際燃機透平榫頭/榫槽裝配間隙結構放大9倍，采用熱色液晶測量了榫頭/榫槽裝配間隙結構通道的換熱系數(shù)變化情況。常海萍等［14-15］針對縱樹型榫頭/榫槽裝配間隙結構進行了相關試驗研究。Chen等［16］數(shù)值研究了兩種典型榫頭/榫槽裝配間隙結構在靜止及旋轉狀態(tài)下的流動與換熱特性。Gopinathrao等［17］在研究高溫和高負載下運行的燃氣輪機部件時，分析并研究了榫頭/榫槽結構的影響。Mabilat等［18］采用試驗和數(shù)值模擬方法對輪盤的整體壽命進行了研究，考慮了榫頭/榫槽裝配間隙的傳熱性能對輪盤溫度分布的影響。

基于對溫度場和流場的干擾較小、響應速度快、測量精度高等優(yōu)點，熱色液晶測溫方法在相關實驗中得到了越來越廣泛的應用。陳偉等［19］采用瞬態(tài)液晶測量技術研究了高溫高壓渦輪葉片內(nèi)部通道的冷卻和傳熱特性。李博等［20］利用瞬態(tài)液晶測溫技術對球形和橢圓形球凹冷卻結構的局部傳熱和流阻系數(shù)進行了實驗研究。Shi等［21-22］運用熱色液晶實驗研究了環(huán)形斜向射流陣列在密閉空間內(nèi)撞擊旋轉圓柱表面的對流換熱特性。Zhang等［23］運用熱色液晶測溫技術通過實驗研究渦輪端壁上游噴射冷卻劑傳熱特性以及氣膜冷卻特性。Luan等［24］對帶肋和氣膜孔的渦輪葉片前緣沖擊冷卻的內(nèi)部傳熱系數(shù)和壓力損失情況進行研究時，運用熱色液晶測溫技術得到了不同冷卻條件下前緣腔內(nèi)表面的傳熱系數(shù)分布。陳大為等［25］采用熱色液晶測溫技術實驗研究了尾跡區(qū)對于光滑葉片表面換熱系數(shù)分布的影響。徐國強等［26］利用熱色液晶測溫技術實驗研究了吹風比和孔布置位置等因素對氣膜冷卻和傳熱性能的影響。上述研究表明，熱色液晶測溫技術已廣泛應用于傳熱實驗研究中。

綜上，榫頭/榫槽結構的流動與換熱特性對透平的安全穩(wěn)定運行具有重要影響，而目前相關研究還較少，其流動與換熱機理尚有待進一步研究。因此，本文采用試驗與數(shù)值計算相結合的方式研究了雷諾數(shù)與裝配間隙高度和寬度等流動和結構參數(shù)對榫頭/榫槽裝配間隙內(nèi)流動與換熱特性的影響規(guī)律。本文搭建了榫頭/榫槽裝配間隙流動與傳熱試驗臺，采用瞬態(tài)熱色液晶測量了不同雷諾數(shù)及結構參數(shù)下榫頭/榫槽表面的換熱系數(shù)分布情況，同時通過測量沿程壓力分布獲得了試驗件的阻力特性，并數(shù)值計算分析了不同雷諾數(shù)及結構參數(shù)對榫頭/榫槽裝配間隙內(nèi)流動特性的影響。

1.試驗測量與數(shù)值計算方法

本文對流阻和傳熱采用試驗測量的方法進行，對具體流場細節(jié)采用數(shù)值計算的方法獲得。

1.1.試驗系統(tǒng)和試驗段

試驗系統(tǒng)圖如圖1所示。試驗系統(tǒng)分為主流系統(tǒng)、試驗段以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。主流由螺桿壓縮機提供，氣體經(jīng)過冷干機、過濾器后進入儲氣罐，之后進入試驗段部分。試驗段選用有機玻璃板加工而成。考慮到密封性等因素，根據(jù)相似原理將真實榫頭/榫槽裝配間隙放大5倍后進行相關試驗。由于榫頭/榫槽S形裝配間隙結構具有對稱性，因此本文試驗取一半高度的榫頭/榫槽結構進行研究，榫頭/榫槽裝配間隙結構提取及試驗臺實物圖如圖2所示。圖中H表示榫頭/榫槽的高度，d表示榫頭/榫槽裝配間隙寬度。

1.2.試驗測量原理

試驗采用Azbil熱式質量流量計測量流量，量程精度為±1.0%，壓力采用PSI9216壓力掃描閥進行測量，量程精度為±0.05%。

換熱試驗根據(jù)熱色液晶的顏色與溫度相對應的特性，找出溫度與顏色之間的對應關系。對于顏色有多種描述方法。對于數(shù)字圖像的獲取和處理系統(tǒng)，通常采用RGB（紅色、綠色和藍色）顏色模型。RGB顏色模型可以很好地再現(xiàn)顏色，但由于光強等因素的影響，有時同一顏色會有不同的R、G、B色值，這種情況不利于溫度與顏色的相互轉換。HIS色彩模型用色調(diào)（H）、飽和度（I）、亮度（S）來描述一種顏色。色調(diào)是顏色彼此互相區(qū)分的特性，不同的顏色具有不同的色調(diào)，飽和度指一種顏色中純光所占的比例，亮度則指的是顏色的強度。用色調(diào)區(qū)分顏色只需一個變量，不需要考慮飽和度和亮度的影響，從而解決了光照不均勻及光照條件不同的影響［27-28］。因此，本文將拍攝的RGB色彩圖像轉換為HIS色調(diào)圖像來確定溫度。

由于需要確定色調(diào)與溫度之間一一對應的關系，因此需要對熱色液晶提前進行標定。標定裝置如圖3所示。

瞬態(tài)熱色液晶測試技術是基于一維半無限大平板的非穩(wěn)態(tài)導熱理論的試驗測量方法。試驗開始時，試驗模型的溫度應均勻且等于氣流的溫度。如果測試表面氣流的溫度突然上升，則氣流和測試表面之間會發(fā)生對流傳熱，導致測試表面的溫度突然升高，并開始對試驗模型內(nèi)部進行導熱，這一問題可以用式（1）進行描述

式中：Tx，t為試驗模型內(nèi)部x處在t時刻下的溫度；T0為初始時刻溫度；Tw為所研究表面的壁面溫度；Tg為升高后的氣流溫度；ρ、λ、c分別為試驗模型的密度、導熱系數(shù)、比熱容。

壁面溫度解析解為

式中：erfc為余差函數(shù)。

利用熱色液晶測溫技術測出所研究表面的壁面溫度（Tw）以及加熱時間（th），測得氣流溫度（Tg）隨時間的變化規(guī)律，結合初始溫度（T0）以及試驗模型的物性參數(shù)即可求出換熱系數(shù)（h）。

1.3.不確定度分析

由熱色液晶標定的結果可知，此熱色液晶不確定度誤差為±0.2 K，熱電偶的測量誤差也為±0.2 K，時間測量誤差為±0.1 s。采用Moffat實驗誤差分析方法［29］，選擇兩個特征換熱系數(shù)的數(shù)值進行計算。結果表明，換熱系數(shù)測量結果的相對誤差約在11%以下，低換熱系數(shù)（h=100 W/（m2·K））下不確定度為5%，高換熱系數(shù)（h=2 000 W/（m2·K））下不確定度為11.2%。

1.4.數(shù)值計算方法及驗證

采用與試驗研究相同的結構進行數(shù)值研究，計算模型如圖4所示。進口給定流量和溫度，出口給定平均靜壓，榫頭/榫槽通道兩側面給恒定壁溫條件，其他壁面為光滑無滑移絕熱壁面。進、出口邊界條件與試驗一致，進口溫度給定為試驗中進口在進氣腔內(nèi)靠近榫頭榫槽間隙進口處測量的溫度。網(wǎng)格為非結構化網(wǎng)格，邊界層內(nèi)采用prism網(wǎng)格，壁面處第一層網(wǎng)格高度設置為0.001 mm，并以1.15的比率沿垂直壁面方向增長，prism網(wǎng)格層數(shù)為15層。數(shù)值計算采用商用軟件ANSYS CFX。

1.4.1.湍流模型考核

通過與相同工況下的試驗值進行對比，對標準k-ε模型、RNG k-ε模型、標準k-ω模型、SST k-ω模型共4種湍流模型在計算榫頭/榫槽結構流動換熱的精度進行了考核。計算所采用的試驗工況如表1所示。

努塞爾數(shù)定義式如下

式中：qw表示熱流密度；Th表示進口氣流溫度；Dh表示水力直徑。

周向平均努塞爾數(shù)Nucir的定義如下

式中：Nui表示對應網(wǎng)格節(jié)點（i，j）的Nu；li表示各節(jié)點之間的曲線長度，m；l表示通道長度。

不同湍流模型計算的周向平均努塞爾數(shù)與試驗結果的對比如圖5所示。圖中橫軸Z表示坐標系的Z軸，與氣體流動方向平行。由圖5可知，采用SST k-ω湍流模型計算的結果與試驗結果吻合得最好，因此本文后續(xù)計算都選用SST k-ω湍流模型進行。

1.4.2.網(wǎng)格無關性驗證

選取140萬、304萬、550萬節(jié)點共3套網(wǎng)格進行網(wǎng)格無關性驗證。比較了不同網(wǎng)格數(shù)下右側壁面的周向平均努塞爾數(shù)，網(wǎng)格無關性驗證結果如圖6所示。

通過分析比較不同網(wǎng)格數(shù)下右側壁面的周向平均努塞爾數(shù)Nucir，可以看出當網(wǎng)格數(shù)大于304萬時，網(wǎng)格數(shù)繼續(xù)增加對計算精度影響不大。因此，后續(xù)計算選擇網(wǎng)格數(shù)為304萬的網(wǎng)格開展數(shù)值計算。

2.結果與討論

2.1.雷諾數(shù)對榫頭/榫槽結構流動與換熱特性的影響

試驗并數(shù)值研究了5種雷諾數(shù)（Re=15 000，20 000，25 000，30 000，35 000）下榫頭/榫槽裝配間隙內(nèi)的流動與換熱特性。

2.1.1.雷諾數(shù)對榫頭/榫槽結構流動特性的影響

阻力損失系數(shù)的定義為

式中：P*1表示進口處的總壓；P*5表示出口處的總壓；D表示通道水力直徑；v表示氣流速度。

圖7展示了不同雷諾數(shù)下榫頭/榫槽裝配間隙通道入口處的三維流線。由圖可以看出，在任意雷諾數(shù)下，由于從氣流盤腔大空間進入榫頭/榫槽間隙時氣流與壁面存在刮削作用，因此通道入口處都存在入口渦；入口渦的強度及尺寸會受雷諾數(shù)的影響，隨著雷諾數(shù)的增加，通道入口渦的尺寸趨于穩(wěn)定；入口渦的存在會導致通道入口處摩擦損失及換熱強度較大。

圖8給出了不同雷諾數(shù)下榫頭/榫槽結構的平均阻力系數(shù)的試驗結果。由圖可知，隨著雷諾數(shù)的增大，榫頭/榫槽通道結構的阻力系數(shù)隨之增加。這主要是因為在結構不變的條件下，增大雷諾數(shù)是通過增大流速實現(xiàn)的，而流速增大時，通道進出口的壓差增大，從而會導致阻力系數(shù)增大。當雷諾數(shù)從15 000增大到35 000時，榫頭/榫槽間隙平均阻力系數(shù)增大近2倍。

2.1.2.雷諾數(shù)對榫頭/榫槽結構換熱特性的影響

圖9為不同雷諾數(shù)下榫頭/榫槽通道Nu的試驗結果，其中右側為通道進口，左側為出口。由圖可知，在榫頭/榫槽通道進口處，換熱較為強烈，這主要是因為在通道的入口處邊界層的生成，且隨著流動向下游發(fā)展，邊界層逐漸增厚，因此換熱強度逐漸降低。同時可以觀察到，在中部狹窄的縫隙處換熱強度較低，在頂部間隙較寬的處換熱強度較高，這主要是因為氣流在較寬處形成了旋渦，湍動度較大，而在中部較狹窄處旋渦的尺寸較小。

圖10為不同雷諾數(shù)下榫頭/榫槽通道左側與右側壁面面積平均努塞爾數(shù)（Nuave）的試驗結果。由圖可知，隨著雷諾數(shù)的增加，通道的Nuave隨之增加，當雷諾數(shù)從15 000增大到35 000時，榫頭/榫槽兩側面平均努塞爾數(shù)均增大了1.1倍。通道左側壁面的Nuave始終比右側壁面高10%左右，這主要是由兩個原因造成的：①在頂部間隙較寬處靠近左側壁面處生成了旋渦，造成左側壁面換熱強度更高；②左側壁面在間隙較寬處是弧形，而該處的換熱較中部狹窄處的高，即左側壁面高換熱區(qū)面積更大。左右兩側壁面指榫頭/榫槽通道的左右兩側，視圖方向為通道的進氣方向。左右兩側壁面示意圖可見圖2（a）。

2.2.裝配間隙相對高度對榫頭/榫槽流動及換熱特性的影響

..在研究雷諾數(shù)對榫頭/榫槽間隙流動與傳熱特性研究的基礎上，研究了榫頭/榫槽裝配間隙高度對其流動換熱特性的影響。榫頭/榫槽間隙高度采用無量綱參數(shù)榫頭/榫槽裝配間隙相對高度（h*），其定義為

h*=H/d（6）

利用圖2所示的模型結構，試驗并數(shù)值研究5種榫頭/榫槽裝配間隙結構相對高度（h*=54.00，49.85，45.68，41.52，37.35）對榫頭/榫槽結構內(nèi)部流動與換熱特性的影響。

2.2.1.榫頭/榫槽裝配間隙相對高度對榫頭/榫槽結構流動特性的影響

圖11展示了不同榫頭/榫槽結構相對高度下裝配間隙通道不同截面處的流線分布情況。由圖可以看出，在通道入口處（Z/L=0），在上方流動空間較大的左側與右側壁面附近均生成了旋渦，在下方流動空間較小的窄長部分也有旋渦的生成。旋渦的生成會造成流動損失增加。隨著結構高度的增加，靠近左側與右側壁面的旋渦數(shù)量減少，且尺寸有所減小，下方的窄長部分長度增加，旋渦的數(shù)量增加，此處流動損失增大。在通道中間部分（Z/L=0.5）處，隨著結構高度的增加，靠近左側與右側壁面處的旋渦生成數(shù)量及尺寸均略有減小，在此處通道下方的窄長部分沒有旋渦的生成，在通道中間處隨著流動的發(fā)展流動損失逐漸減小。在通道的出口處（Z/L=1.0），隨著流動的發(fā)展，邊界層厚度及流體溫度均逐漸增加，旋渦尺寸減小明顯，在通道出口處流動損失減小。

圖12為試驗測量的不同榫頭/榫槽結構相對高度下榫頭/榫槽結構的平均阻力系數(shù)。由圖可知，隨著榫頭/榫槽結構相對高度的增加，間隙通道平均阻力系數(shù)逐漸減小；在試驗范圍內(nèi)，平均阻力系數(shù)降低了65%。與圖11的分析結果一致，隨著榫頭/榫槽結構高度的增加，通道中流動的旋渦減少，流動損失降低；裝配間隙中狹窄的平直部分長度增加，而該部分流速較低，阻力較小，造成整體平均阻力系數(shù)降低。

2.2.2.榫頭/榫槽裝配間隙相對高度對其換熱特性的影響

圖13為不同榫頭/榫槽結構相對高度下榫頭/榫槽裝配間隙Nu分布的試驗結果。由圖可得，隨著裝配間隙相對高度的增加，在入口處所生成的旋渦的尺寸及數(shù)量均逐漸減小，因此換熱強度也逐漸降低；隨著流動的發(fā)展，流動邊界層逐漸變厚，努塞爾數(shù)逐漸降低，特別是在通道下方的窄長部分，由于流動速度較低，且未形成旋渦，湍動度較低，因此Nu降低更快；但是隨著結構高度的增加，靠近左側與右側壁面處的旋渦尺寸均略有減小，因此Nu逐漸減小；在通道的出口處，旋渦的尺寸明顯減小，因此在通道的出口Nu減小明顯，與圖11分析結果一致。總體而言，隨著流動的發(fā)展，沿程Nu逐漸減小；隨著結構高度的增加，通道的換熱強度逐漸減弱。

圖14為不同榫頭/榫槽裝配間隙結構相對高度下榫頭/榫槽通道左側與右側壁面平均努塞爾數(shù)的試驗結果。由圖可知，隨著榫頭/榫槽結構相對高度的增加，通道平均努塞爾數(shù)逐漸減小，即換熱強度隨著榫頭/榫槽結構高度的增加而降低；在試驗范圍內(nèi)，當榫頭/榫槽間隙相對高度從37.35增加到54.00時，左右兩側壁面的平均努塞爾數(shù)分別降低了12.1%和14.1%。這主要是因為：①結構高度的增加，導致間隙通道內(nèi)氣流流速降低；②增加高度過程中增加的是平直且窄的部分的高度，而該部分換熱強度低，因此降低了間隙通道努塞爾數(shù)的面積平均值；③通道內(nèi)部所生成的旋渦尺寸以及數(shù)量均有所減小，換熱強度逐漸減小。在任何結構高度下，靠近左側壁面的利于流體混合的旋渦始終多于右側壁面，因此左側壁面的換熱強度始終高于右側壁面的。在試驗的榫頭/榫槽結構高度下，左側壁面的平均努塞爾數(shù)始終比右側高10%左右。

2.3.裝配間隙寬度對榫頭/榫槽流動與傳熱特性的影響

利用圖2（a）所示模型，試驗與數(shù)值研究了5種榫頭/榫槽裝配間隙結構寬度（d=1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 mm）對榫頭/榫槽結構內(nèi)部流動與換熱特性的影響。

2.3.1.裝配間隙寬度榫頭/榫槽流動特性的影響

圖15為不同榫頭/榫槽裝配間隙寬度下榫頭/榫槽結構平均阻力系數(shù)。由圖可知，隨著榫頭/榫槽結構寬度的增加，平均阻力系數(shù)逐漸增大。這是由于榫頭/榫槽裝配間隙內(nèi)月牙形較寬處旋渦強度隨間隙寬度增大而增強，并且狹窄的平直部分流速隨寬度的增大而增大，導致流阻增大，即阻力系數(shù)增大。在試驗范圍內(nèi)，當榫頭/榫槽間隙寬度從1.0 mm增大到3.0 mm時，平均阻力系數(shù)增大了30.7%。

2.3.2.裝配間隙寬度對榫頭/榫槽結構傳熱特性的影響

圖16為不同裝配間隙寬度下榫頭/榫槽裝配間隙結構Nu分布的試驗結果，其中d=3 mm工況下的Nu分布如圖13（e）所示。由圖16可知，隨著結構寬度的增加，Nu有所增大。在通道中間部分，隨著結構寬度的增加，大空間處的旋渦尺寸先增加后減小，因此此處的換熱強度也先升高后減弱。而在狹窄的平直間隙處，隨間隙寬度的增大，該部分氣流速度增大，努塞爾數(shù)增大。在通道出口處，隨著結構寬度的增加，大空間處的旋渦尺寸增加，因此此處的換熱強度也隨之升高，并且左側壁面的Nu始終高于右側壁面。

圖17為不同榫頭/榫槽裝配間隙寬度下左側與右側壁面的Nuave分布情況。由圖可知，隨著榫頭/榫槽間隙寬度的增加，通道Nuave逐漸增加，即換熱強度隨著榫頭/榫槽間隙寬度的增加而升高。在試驗范圍內(nèi)，當榫頭/榫槽間隙寬度從1.0 mm增大到3.0 mm時，左右兩側面平均努塞爾數(shù)分別增大了95.5%和94.9%，并且左側壁面的Nuave始終比右側壁面高10%左右。這主要是因為，隨著榫頭/榫槽間隙寬度的增加，旋渦生成的尺寸逐漸增加，一方面下方狹窄的平直部分寬度增大，氣體流速增大，換熱增強；另一方面流體與壁面的熱量交換過程更為劇烈，因此整體換熱強度隨裝配間隙寬度的增大而增大。

3.結.論

采用試驗研究了雷諾數(shù)、裝配間隙高度和寬度等結構參數(shù)對榫頭/榫槽裝配間隙流動與換熱特性的影響，并結合數(shù)值計算分析了榫頭/榫槽間隙內(nèi)的詳細流動情況，得到的主要結論如下。

（1）由于通道入口處存在入口渦，因此阻力系數(shù)及努塞爾數(shù)在通道入口處最大，隨著流動的發(fā)展，榫頭/榫槽裝配間隙通道的阻力系數(shù)及努塞爾數(shù)逐漸減小。在通道的同一截面上，由于流動阻力不同，在上方較寬的月牙形區(qū)域內(nèi)，工質流速較高，努塞爾數(shù)較大；在下方狹窄的平直區(qū)域內(nèi)，工質流速很低，努塞爾數(shù)較小。在試驗范圍內(nèi)，左側壁面努塞爾數(shù)始終比右側壁面高10%左右。

（2）隨著雷諾數(shù)的增加，榫頭/榫槽通道結構的阻力系數(shù)逐漸增大，通道的平均努塞爾數(shù)也隨之增加，通道換熱強度逐漸升高。在試驗范圍內(nèi)（雷諾數(shù)從15 000增大到35 000），平均阻力系數(shù)增大了2倍，努塞爾數(shù)增大了1.1倍。

（3）隨著榫頭/榫槽裝配間隙相對高度的增加，阻力損失及壁面努塞爾數(shù)均逐漸減小。在試驗范圍內(nèi)（榫頭/榫槽間隙相對高度從37.35增加到54.00），間隙內(nèi)平均阻力系數(shù)降低了65%，左右兩側壁面的平均努塞爾數(shù)分別降低了12.1%和14.1%。

（4）隨著榫頭/榫槽裝配間隙寬度的增加，阻力系數(shù)逐漸增加，壁面努塞爾數(shù)逐漸升高。在試驗范圍內(nèi)（榫頭/榫槽間隙寬度從1.0 mm增大到3.0 mm），平均阻力系數(shù)增大了30.7%，左右兩側面平均努塞爾數(shù)分別增大了95.5%和94.9%。

參考文獻：

［1］DHANASEKARAN T S， WANG Ting. Simulation of mist film cooling on rotating gas turbine blades ［J］. Journal of Heat Transfer， 2012， 134（1）： 011501.

［2］XU B， OOTI K T， WONG N T， et al. Experimental investigation of flow friction for liquid flow in microchannels ［J］. International Communications in Heat and Mass Transfer， 2000， 27（8）： 1165-1176.

［3］HETSRONI G， MOSYAK A， POGREBNYAK E， et al. Heat transfer in micro-channels： comparison of experiments with theory and numerical results ［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2005， 48（25/26）： 5580-5601.

［4］丁耀東， 李平. 脈動流與波紋壁通道耦合強化換熱及優(yōu)化研究 ［J］. 西安交通大學學報， 2023， 57（7）： 120-129.

DING Yaodong， LI Ping. Research on coupling of pulsating flow and corrugated channels for heat transfer enhancement and genetic algorithm optimization ［J］. Journal of Xi’an Jiaotong University， 2023， 57（7）： 120-129.

［5］羅煒， 賀靜， 羅兵， 等. 截面形狀對微通道流動沸騰影響的數(shù)值研究 ［J］. 西安交通大學學報， 2019， 53（11）： 101-111.

LUO Wei， HE Jing， LUO Bing， et al. Numerical study on the effect of cross-sectional shape of microchannels on flow boiling ［J］. Journal of Xi’an Jiaotong University， 2019， 53（11）： 101-111.

［6］陳秋煬， 曾敏， 王令， 等. 縱向渦發(fā)生器對矩形窄通道內(nèi)對流換熱的影響 ［J］. 西安交通大學學報， 2006， 40（9）： 1010-1013.

CHEN Qiuyang， ZENG Min， WANG Ling， et al. Effect of longitudinal vortex generators on convective heat transfer in rectangular narrow channel ［J］. Journal of Xi’an Jiaotong University， 2006， 40（9）： 1010-1013.

［7］馬世巖， 徐國強， 鄧宏武， 等. 微小通道在葉片冷卻結構中的應用研究 ［J］. 航空動力學報， 2009， 24（9）： 1989-1993.

MA Shiyan， XU Guoqiang， DENG Hongwu， et al. Research on application of micro channel in the blade cooling structure ［J］. Journal of Aerospace Power， 2009， 24（9）： 1989-1993.

［8］梁釗， 王新軍. 繞流肋片通道內(nèi)的流動與換熱特性數(shù)值研究 ［J］. 西安交通大學學報， 2021， 55（11）： 8-16.

LIANG Zhao， WANG Xinjun. Numerical investigation on the flow and heat transfer characteristics of the flow-around rib channel ［J］. Journal of Xi’an Jiaotong University， 2021， 55（11）： 8-16.

［9］陳宇佳， 杜長河， 李亮. 蒸汽冷卻帶肋矩形通道流動和換熱特性數(shù)值研究 ［J］. 西安交通大學學報， 2016， 50（3）： 62-67.

CHEN Yujia， DU Changhe， LI Liang. Numerical simulation for flow and heat transfer characteristics in steam-cooled square ribbed channel ［J］. Journal of Xi’an Jiaotong University， 2016， 50（3）： 62-67.

［10］高炎， 晏鑫， 李軍. 燃氣透平葉片尾緣開縫結構冷卻性能的數(shù)值研究 ［J］. 西安交通大學學報， 2016， 50（3）： 29-37.

GAO Yan， YAN Xin， LI Jun. Numerical investigations on the cooling performance of trailing edge cutback in gas turbine blade ［J］. Journal of Xi’an Jiaotong University， 2016， 50（3）： 29-37.

［11］段玉發(fā)， 張麗， 陸海鷹， 等. 一種榫頭榫槽嚙合間隙流動特性的試驗研究 ［J］. 機械與電子， 2014（2）： 7-10.

DUAN Yufa， ZHANG Li， LU Haiying， et al. Experimental investigation on flow characteristics in tenon joint gap between turbine blade and disk ［J］. Machinery amp; Electronics， 2014（2）： 7-10.

［12］劉永葆， 房友龍. 燃氣輪機高壓渦輪葉頂間隙變化規(guī)律的有限元分析 ［J］. 中國艦船研究， 2011， 6（6）： 78-82.

LIU Yongbao， FANG Youlong. The finite element analysis for HPT blade tip clearance variation of gas turbine ［J］. Chinese Journal of Ship Research， 2011， 6（6）： 78-82.

［13］馬曉騰， 崔崢， 許都純， 等. “S”型裝配間隙流動及換熱特性研究 ［J］. 工程熱物理學報， 2016， 37（8）： 1721-1727.

MA Xiaoteng， CUI Zheng， XU Duchun， et al. Flow and heat transfer characteristics of the \"S\" type assembly clearance ［J］. Journal of Engineering Thermophysics， 2016， 37（8）： 1721-1727.

［14］CHANG Haiping， HUANG Taiping， CHEN Wanbing. Experimental investigation on flow and heat transfer characteristics in tenon joint gap between turbine blade and disk ［J］. Transactions of Nanjing University of Aeronautics amp; Astronautics， 1995， 12（1）： 52-56.

［15］常海萍， 黃太平， 楊燕生. 復雜非圓管流動與換熱特性實驗研究 ［J］. 航空動力學報， 1993， 8（4）： 358-362.

CHANG Haiping， HUANG Taiping， YANG Yansheng. An experimental study on fluid friction and heat transfer in complex noncircular passages ［J］. Journal of Aerospace Power， 1993， 8（4）： 358-362.

［16］CHEN Dawei， ZHU Huiren， XU Yang， et al. Numerical simulations of flow fields and heat transfer [JP+2]characteristics in tenon joint gap between turbine blade and disk under rotating conditions ［C］//ASME Turbo Expo 2017： Turbomachinery Technical Conference and Exposition. New York， USA： ASME， 2017： V05BT15A017.

［17］GOPINATHRAO N， MABILAT C， ALIZADEH S， et al. Conjugate heat transfer study of a spin pit rig： application to the lifing of HP turbine disc firtrees ［C］//ASME Turbo Expo 2008： Power for Land， Sea， and Air. New York， USA： ASME， 2008： 1693-1702.

［18］MABILAT C， ALIZADEH S， JACKSON D， et al. Conjugate heat transfer study of a biaxial rig： application to the lifing of HP turbine disc firtrees ［C］//ASME Turbo Expo 2008： Power for Land， Sea， and Air. New York， USA： ASME， 2008： 1703-1715.

［19］陳偉， 楊力， 任靜， 等. 瞬態(tài)液晶技術在渦輪葉片內(nèi)部冷卻研究中的應用 ［J］. 工程熱物理學報， 2012， 33（4）： 665-669.

CHEN Wei， YANG Li， REN Jing， et al. Application of transient liquid crystal on internal cooling research of gas turbine airfoil ［J］. Journal of Engineering Thermophysics， 2012， 33（4）： 665-669.

［20］李博， 饒宇， 陳鵬. 應用瞬態(tài)液晶熱像研究凹陷渦發(fā)生器傳熱性能 ［J］. 工程熱物理學報， 2015， 36（11）： 2356-2360.

LI Bo， RAO Yu， CHEN Peng. An experimental study of local heat transfer of dimple vortex generator using transient liquid crystal thermography ［J］. Journal of Engineering Thermophysics， 2015， 36（11）： 2356-2360.

［21］SHI Lei， ZHU Xiaocheng， DU Zhaohui. Study on convective heat transfer characteristics of inclined jet impinging cylindrical target surface in the confined space ［J］. Applied Thermal Engineering， 2023， 218： 119316.

［22］SHI Lei， ZHU Xiaocheng， DU Zhaohui. Experimental investigation on convective heat transfer of inclined jets impinging on the rotating cylindrical surface in the confined space ［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2023， 202： 123744.

［23］ZHANG Jie， LIU Cunliang， ZHANG Li， et al. Experimental study of heat transfer and film cooling performance of upstream ejected coolant on a turbine endwall ［J］. Journal of Thermal Science， 2023， 32（2）： 718-728.

［24］LUAN Yong， RAO Yu， XU Chao. Experimental and numerical study on an enhanced swirl cooling with convergent [JP+3]tube wall and local dimple arrangements ［J］. International Journal of Thermal Sciences， 2023， 185： 108083.

［25］陳大為， 朱惠人， 李華太， 等. 基于熱色液晶技術的尾跡對渦輪動葉表面換熱系數(shù)影響研究 ［J］. 推進技術， 2019， 40（3）： 653-659.

CHEN Dawei， ZHU Huiren， LI Huatai， et al. Effects of unsteady wake on heat transfer distribution of turbine blade using thermochromic liquid crystal technique ［J］. Journal of Propulsion Technology， 2019， 40（3）： 653-659.

［26］徐國強， 田寧， 陶智， 等. 液晶測溫法對平板氣膜冷卻的實驗研究 ［J］. 航空動力學報， 2007， 22（5）： 704-708.

XU Guoqiang， TIAN Ning， TAO Zhi， et al. Experimental research on flat surface film cooling by TLC ［J］. Journal of Aerospace Power， 2007， 22（5）： 704-708.

［27］趙熙， 徐國強， 羅翔， 等. 熱色液晶標定和使用的影響因素 ［J］. 航空動力學報， 2013， 28（6）： 1409-1414.

ZHAO Xi， XU Guoqiang， LUO Xiang， et al.Effects on calibration and use of thermochromic liquid crystal ［J］. Journal of Aerospace Power， 2013， 28（6）： 1409-1414.

［28］郭濤， 朱惠人， 許都純， 等. 熱色液晶瞬態(tài)測量全表面換熱系數(shù)的技術研究 ［J］. 測控技術， 2006， 25（9）： 67-69.

GUO Tao， ZHU Huiren， XU Duchun， et al. Research on transient measurement of heat transfer coefficient distribution with liquid crystal technique ［J］. Measurement amp; Control Technology， 2006， 25（9）： 67-69.

［29］MOFFAT R J. Describing the uncertainties in experimental results ［J］. Experimental Thermal and Fluid Science， 1988， 1（1）： 3-17.