對層板冷卻效率隨主流流動方向變化的數(shù)值研究

聶建豪，朱惠人，任戰(zhàn)鵬

（西北工業(yè)大學(xué)動力與能源學(xué)院，陜西 西安 710072）

0 引言

綜合成本和冷卻效率等各種因素，層板冷卻結(jié)構(gòu)在航空發(fā)動機(jī)各種冷卻技術(shù)中具有極大的優(yōu)勢［1-2］。層板集沖擊冷卻、擾流柱擾流和氣膜冷卻等冷卻手段于一身，不僅冷氣用量少，而且其冷卻效率高，接近發(fā)散冷卻。郁新華和全棟梁等研究了擾流柱排布、開孔率、層板層數(shù)和層板加工工藝對層板流阻特性的影響，以及吹風(fēng)比對不同層板換熱特性的影響［3-4］。陶智等研究了吹風(fēng)比對層板冷卻的影響［5］。目前，公開發(fā)表的論文對層板換熱的研究基本上關(guān)注于二次流，而關(guān)于主流對層板的影響予以忽略，但是主流狀態(tài)的改變會對層板的換熱造成影響，所以，研究主流對層板換熱的影響，有助于深入了解層板冷卻機(jī)制，因此，針對主流對層板冷卻效率的影響進(jìn)行了流固耦合模擬，計算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的最大相對誤差為4.99%。同時，對層板和全氣膜冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比，結(jié)果顯示層板冷卻效率高于全氣膜冷卻結(jié)構(gòu)。

1 數(shù)值計算

1.1 幾何模型

層板幾何參數(shù)包括沖擊孔直徑D=1mm；氣膜孔直徑比D1／D=1.33；擾流柱直徑比Dp／D=1.6；擾流柱間距的比B=S／2；擾流柱高度的比Hp／D=1.33；進(jìn)氣板厚度比 Hi／D=2.4；出氣板厚度比Ht／D=1.34；孔間距比S／D=6.4等［3］。具體參數(shù)如圖1所示。而流體域幾何模型上壁面高出固體域30mm，冷氣入口處低于固體域下表面14mm。

圖1 層板結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 網(wǎng)格劃分

使用ANSYS 12.1自帶的ICEM對流體域和固體域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中流體域使用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在與固體域接觸的附近區(qū)域使用密度盒進(jìn)行網(wǎng)格加密，同時在流體域與固體域相接的面上生成10層邊界層，保證y+在0～1之間，網(wǎng)格單元數(shù)為4210000個。固體域網(wǎng)格則進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，其網(wǎng)格單元數(shù)為670000個。網(wǎng)格局部放大如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格局部放大

1.3 計算方法

采用ANSYS12.1中的CFX進(jìn)行三維穩(wěn)態(tài)數(shù)值計算。流體域采用基于SST模型的k-ω湍流模型［4］。在定義求解器基本設(shè)定中，差分格式設(shè)置為高階求解模式，Turbulence Numerics設(shè)置為高階求解模式，最大迭代步數(shù)設(shè)置為1000，均方根殘差值（RMS）設(shè)為1e-5，其他選項(xiàng)按默認(rèn)設(shè)置。在使用CFX求解器求解時，使用單機(jī)4核進(jìn)行并行計算，達(dá)到均方根殘差要求后停止計算。

2 計算結(jié)果與分析

2.1 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

數(shù)值計算結(jié)果對計算網(wǎng)格數(shù)具有一定的依賴性。通過對同一工況不同網(wǎng)格數(shù)下層板冷卻結(jié)構(gòu)的平均綜合冷卻效率η進(jìn)行了比較，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)加密到491萬以上時，數(shù)值解的最大相對誤差為0.96%，將此時的數(shù)值解作為網(wǎng)格無關(guān)性解。網(wǎng)格無關(guān)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性實(shí)驗(yàn)

2.2 平均綜合冷卻效率隨主流（燃?xì)猓┝鲃臃较虻淖兓?/h3>

定義平均綜合冷卻效率為：

Tg為主流（或燃?xì)猓囟?；Tc為二次流（或冷氣）溫度為層板主流側(cè)平均壁溫。吹風(fēng)比定義為：

ρcVc為二次流（或冷氣）密流；ρgVg為燃?xì)饷芰鳌?/p>

層板結(jié)構(gòu)的冷卻效率隨主流流動方向是先升高而后下降，然后不斷升高，如圖4所示。分析這種變化的原因可能是：在主流流動方向上，第一排氣膜孔附近位置處主流與二次流不斷摻混，使壁面附近氣流溫度偏向二次流溫度，致使壁面溫度也偏向二次流溫度，層板平均綜合冷卻效率會升高，而后幾排氣膜孔位置處主流受二次流的擾動，如圖5所示。使大量的主流氣體在壁面附近處與二次流摻混，使壁面附近氣體溫度偏向主流溫度，致使壁溫偏向主流溫度，即平均綜合冷卻效率降低，但此處的冷卻效率高于第一排氣膜孔處的冷卻效率，而后面的氣膜孔位置處，由于前面的冷氣不斷被吹向后面層板壁面處，在壁面附近逐漸形成一個完整的氣膜，使壁溫偏向二次流溫度，即平均綜合冷卻效率會不斷升高。

圖4 平均綜合冷卻效率隨主流（或燃?xì)猓┝鲃臃较虻淖兓?/p>

圖5 流線圖

2.3 層板與全氣膜冷卻的比較

數(shù)值模擬采用的全氣膜冷卻氣膜孔排布方式、直徑和板厚與層板結(jié)構(gòu)一致。數(shù)值模擬中保證主流和二次流對應(yīng)的入口條件以及出口條件一致。

層板的冷卻效率比全氣膜高。因?yàn)槎瘟髟诹鞒鰵饽た字芭c層板進(jìn)行了沖擊換熱，同時由于擾流柱的擾流作用，二次流與層板的對流換熱也加強(qiáng)。而全氣膜冷卻結(jié)構(gòu)沒有沖擊冷卻與擾流柱擾流這些冷卻方式，其冷卻效率會比層板低，如圖6所示。

圖6 層板與全氣膜冷卻結(jié)構(gòu)的比較

2.4 數(shù)值計算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)對比

實(shí)驗(yàn)［3］中實(shí)驗(yàn)板周圍的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)容易受其他因素的影響，其可靠性受到影響，所以只比較中間幾排氣膜孔周圍的平均綜合冷卻效率。

在吹風(fēng)比Br=1.66時，數(shù)值計算開始比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)小，而后隨著主流（或燃?xì)猓┝飨虮葘?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)高，兩者最大相對誤差為4.99%。在x／D=30～80范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值計算數(shù)據(jù)都是隨燃?xì)饬飨虿粩嗌?。在吹風(fēng)比Br=1.24時，在主流（或燃?xì)猓┝鲃臃较蛏希瑪?shù)值計算數(shù)據(jù)開始高于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而后低于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，兩者最大相對誤差為3.37%，在x／D=30～80范圍內(nèi)，兩者都是隨主流（或燃?xì)猓┝鲃臃较虿粩嗌?。在吹風(fēng)比Br=0.80時，數(shù)值計算數(shù)據(jù)一直低于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，兩者都是隨主流（或燃?xì)猓┝鲃臃较虿粩嗌?，兩者最大相對誤差為1.13%。如圖7所示。

圖7 數(shù)值計算與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比

3 結(jié)束語

通過對數(shù)值模擬結(jié)果的分析，以及與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比，得出：層板平均綜合冷卻效率沿主流流動方向先升高而后下降，最后不斷升高；在相同工況下，相同厚度以及相同氣膜孔直徑和排布規(guī)律的層板冷卻效率比全氣膜高；數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差很小，說明對層板整體進(jìn)行流固耦合數(shù)值模擬能很好地模擬實(shí)驗(yàn)。

［1］Wilson M D，Sautner M G.An advanced high temperature turbine for subsonic engine applications［C］.30th AIAA／ASME／SAE／ASEE Joine Propulsion Conference，AIAA 94-3372，1994.

［2］Nealy D A，Reider S B.Evaluation of laminated porous wall materials for combustor liner cooling［C］.Transactions of the ASME，Journal of Engineering for power，1979，（102）：268-276.

［3］全棟梁.層板冷卻特性的研究［D］.西安：西北工業(yè)大學(xué)，2003.

［4］郁新華.層板冷卻特性的研究［D］.西安：西北工業(yè)大學(xué)，2001.

［5］陶 智，偉豪杰，丁水汀，等.典型層板冷卻結(jié)構(gòu)中流體流阻與換熱特性的實(shí)驗(yàn)［J］.航空動力學(xué)報，2007，22（2）：193-198.