不同端口下單級(jí)狹縫引射對(duì)冷卻氣膜影響的數(shù)值計(jì)算

臧穎愷，陸振華

● （上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院葉輪機(jī)械研究所，上海 200240）

不同端口下單級(jí)狹縫引射對(duì)冷卻氣膜影響的數(shù)值計(jì)算

臧穎愷1，陸振華2

● （上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院葉輪機(jī)械研究所，上海 200240）

狹縫引射是氣膜冷卻結(jié)構(gòu)中比較重要的一個(gè)，多用于船體和燃?xì)廨啓C(jī)的尾氣排放裝置。但現(xiàn)有對(duì)該結(jié)構(gòu)的研究多是整體性能方面，對(duì)單級(jí)引射結(jié)構(gòu)的引射效果則研究較少。通過(guò)對(duì)直角、45°角和圓角這三種不同端口以及每種端口下，三種不同狹縫寬度進(jìn)行數(shù)值模擬，得出了引射效果最佳的單級(jí)結(jié)構(gòu)、寬度尺寸及該結(jié)構(gòu)的研究方向。

端口；狹縫引射；氣膜；數(shù)值計(jì)算

0 引言

狹縫引射結(jié)構(gòu)是眾多氣膜冷卻[1]結(jié)構(gòu)中的一種，而氣膜冷卻技術(shù)隨著現(xiàn)代光電和其它一些高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，也越來(lái)越受到關(guān)注和重視，特別是現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)中，燃燒室，高溫葉片等都需要用到該技術(shù)。雖然產(chǎn)生氣膜的結(jié)構(gòu)也存在多種形式，但其中狹縫引射結(jié)構(gòu)對(duì)氣膜冷卻來(lái)說(shuō)，具有很高的實(shí)際效用價(jià)值。該裝置在船體的排氣系統(tǒng)，燃?xì)廨啓C(jī)的尾氣排放等方面均有運(yùn)用。現(xiàn)代船體排氣系統(tǒng)中，用來(lái)降低排氣煙羽和排氣管道壁面的溫度的紅外抑制裝置，其中一個(gè)比較關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)就是狹縫引射結(jié)構(gòu)，應(yīng)用最廣泛的是由波瓣噴管和混合管組成的紅外抑制系統(tǒng)[2]，所以對(duì)此研究具有重要的價(jià)值。

實(shí)際應(yīng)用中，針對(duì)引射流動(dòng)的宏觀特性，國(guó)內(nèi)外針對(duì)引射系統(tǒng)的整體性能及多級(jí)引射結(jié)構(gòu)進(jìn)行了許多研究[3]，但是對(duì)單級(jí)結(jié)構(gòu)的原理和引射性能，特別是對(duì)引射端口形狀的研究較少。本文主要針對(duì)單級(jí)結(jié)構(gòu)下不同端口以及不同狹縫寬度，用數(shù)值計(jì)算的方法研究每種工況不同風(fēng)速下的流動(dòng)特性和氣膜作用范圍，為該結(jié)構(gòu)以及多級(jí)裝置的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 原理簡(jiǎn)介

狹縫引射其實(shí)質(zhì)是后臺(tái)階流動(dòng)的一種，但是所不同的是，它是后臺(tái)階流動(dòng)中臺(tái)階處于開(kāi)口狀態(tài)的一種特殊形式，它具有后臺(tái)階流動(dòng)和混合層流動(dòng)[4]兩種流動(dòng)的綜合特性。本文討論的模型結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，雖然剪混合層下方的分離泡消失了，但是引射流與主流之間相互混合在引射壁面形成剪切混合層。主流一般是高溫高速的混合氣體（常為高溫乏氣或是燃?xì)獾然旌蠚怏w），流經(jīng)臺(tái)階面時(shí)，在引射面混合區(qū)內(nèi)形成負(fù)壓區(qū)，周圍環(huán)境中的氣體（一般為環(huán)境空氣）從引射口（狹縫）被卷吸到混合管中，與主流中的氣體進(jìn)行混合。由于流體的粘性力作用，在高溫主流氣體與卷吸的冷流體之間形成類似混合層和后臺(tái)階分離流動(dòng)的剪切混合層。在主流與引射流混合發(fā)展的時(shí)候，混合層會(huì)逐漸向引射面上發(fā)展，引射流會(huì)形成第一個(gè)漩渦，然后混合層攜帶著大量的引射進(jìn)來(lái)的冷流體逐漸向混合管中心區(qū)域發(fā)展。當(dāng)達(dá)到一定的距離以后，剪切層發(fā)展到混合管的壁面附近，由于固體壁面的存在，剪切層重新發(fā)展成為邊界層流動(dòng)。在此過(guò)程中，混合管中心的流體與卷吸流體之間的混合進(jìn)一步加強(qiáng)。最終，重新發(fā)展的邊界層流動(dòng)伴隨著中心區(qū)域的流體以比較均勻的溫度從混合管出口流出[5]。

圖1 引射原理

如果是多級(jí)引射（圖 2），重新發(fā)展后的流體就變成下級(jí)引射的主流，然后再次與引射流混合發(fā)展，如此多級(jí)發(fā)展后的最終流體與初始主流相比，溫度將大幅下降。

圖2 多級(jí)引射結(jié)構(gòu)

而本文主要是針對(duì)實(shí)際應(yīng)用中的情況，由于引射口的幾何形狀對(duì)引射效果會(huì)產(chǎn)生較大的影響，在對(duì)單級(jí)引射結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)討論引射口形狀對(duì)產(chǎn)生壁面冷卻氣膜的影響。

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 幾何模型參數(shù)和邊界條件

本文在根據(jù)實(shí)際使用和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷那闆r下，主要建立二維幾何計(jì)算模型。圖3是簡(jiǎn)化后的二維計(jì)算模型，根據(jù)原理介紹，重點(diǎn)關(guān)注引射面上的流動(dòng)特性，所以對(duì)引射面和引射口處細(xì)化網(wǎng)格后，多次計(jì)算得出較為精確的結(jié)果。

圖3 數(shù)值計(jì)算模型

考慮到模型的對(duì)稱性，實(shí)際計(jì)算中對(duì)模型進(jìn)行稱簡(jiǎn)化處理。如圖4所示是F端面為直角的單級(jí)引射結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，其余兩種模型端面局部放大情況如圖所示，分別為45°斜角和圓角。

其余邊界條件為：1）混合管入口，設(shè)定為速度入口邊界；2）對(duì)稱邊界；3）壁面邊界；4）環(huán)境邊界，設(shè)定為壓力出口邊界；5）引射面；6）環(huán)境邊界，設(shè)定為壓力入口邊界。流道寬為120mm，壁面寬度d=6mm。3壁面長(zhǎng)度設(shè)定 300mm，考慮到尾跡區(qū)[6]變化對(duì)引射效果的影響，引射面設(shè)定800mm。環(huán)境邊界1000mm×3000mm。由于文獻(xiàn)[6]中指出，重疊長(zhǎng)度對(duì)引射結(jié)果影響不大，所以不再對(duì)重疊長(zhǎng)度的變化作計(jì)算研究。設(shè)定重疊長(zhǎng)度L=30mm，每一種端面模型分三種狹縫寬度δ=10mm,15mm, 20mm，計(jì)算并討論其引射效果。

圖4 模型端口局部放大示意圖

2.2 計(jì)算模型的選用

在對(duì)已有的獲得三維全尺寸模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際情況和實(shí)驗(yàn)試件的結(jié)構(gòu)，選取計(jì)算模型。由于馬會(huì)民等在文獻(xiàn)[7]中對(duì)三維全尺寸模型運(yùn)用三種湍流模型k-ε、S2A以及k-ω進(jìn)行了計(jì)算模型的分析，認(rèn)為k-ω模型的計(jì)算結(jié)果更能接近實(shí)際結(jié)果，由于本文二維結(jié)構(gòu)也是由三維結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化得來(lái)，所以本文也采用k-ω湍流模型進(jìn)行計(jì)算，其輸運(yùn)方程為：

式（1）和（2）中各參數(shù)的意義在文獻(xiàn)[8]中均有詳細(xì)說(shuō)明。

計(jì)算采用控制容積法建立有限差分離散方程，湍流動(dòng)能、湍流耗散項(xiàng)及動(dòng)量方程都按二階迎風(fēng)格式進(jìn)行處理，用SIMPLEC算法求解壓力和速度的耦合關(guān)系。SIMPLEC算法改進(jìn)了SIMPLE算法中的速度修正值計(jì)算式，解決了速度修正不協(xié)調(diào)一致的問(wèn)題，其壓力可以不必亞松弛，入口速度設(shè)定V＝5m/s～40m/s，Re =4107～32854（Re=u0H v）。根據(jù)模型運(yùn)用FLUENT軟件進(jìn)行計(jì)算，得出計(jì)算結(jié)果。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1 三種不同端口形狀

由于有環(huán)境大氣被引射進(jìn)入主流，而壁面氣膜的產(chǎn)生主要是由引射流造成的，所以引入引射比，并且引射比Φ=G1/G2（G1是引射流流量，G2是主流流量）是判斷引射效果的一個(gè)重要依據(jù)。如圖 5所示，是三種不同端口在δ=15mm時(shí)的每種風(fēng)速下的引射比匯總圖。由圖可以明顯看出，圓角的端口的引射比明顯好于直角和45°斜角的情況，而且從圖5中還可以看出，直角和45°斜角的引射比相差不大，而且在風(fēng)速為30m/s左右達(dá)到峰值，之后隨著風(fēng)速的提高，引射比下降。說(shuō)明隨著主流風(fēng)速的增加，直角和45°斜角端口的狹縫，引射效果逐漸增強(qiáng)，但不會(huì)一直線性增加，因?yàn)樵谝淇趨^(qū)域，會(huì)有很大的壓力梯度，而主流速度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致引射口負(fù)壓梯度變大，這樣反而阻止了環(huán)境氣體被引射進(jìn)入流道，從而阻礙引射效果。但是圓角的端口則該情況不明顯。

圖5 三種不同端口模型不同風(fēng)速下的引射比

實(shí)際流動(dòng)中的流場(chǎng)是通過(guò)流場(chǎng)中流體的速度場(chǎng)來(lái)反應(yīng)的，由引射原理可知，流體在狹縫口的引射面附近存在著剪切混合層，所以本文通過(guò)選用引射面上方0.5mm區(qū)（網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)間隔0.5mm）觀察Y方向的速度場(chǎng)分量為0時(shí)的延伸長(zhǎng)度，可以更直觀的觀察到剪切混合層的存在，以此來(lái)判斷氣膜的有效長(zhǎng)度。圖6所示的一組云圖中，速度V>0時(shí)，表示速度方向沿“+Y”方向；速度V<0時(shí)，表示速度沿“-Y”方向。圖6是δ=15mm，v=30m/s情況下的三種不同端口的Y方向速度場(chǎng)分量云圖。

由圖6可以看出，圓角端口的VY=0的壁面延伸長(zhǎng)度明顯好于直角和45°角端口的情況。再如圖7所示，是三種不同端口在狹縫寬度均為15mm的情況下，每種風(fēng)速下VY=0的壁面延伸長(zhǎng)度的匯總圖。

圖6 三種不同端口Y方向的速度場(chǎng)

圖7 三種端口模型不同風(fēng)速下VY=0的壁面延伸長(zhǎng)度

由圖6可以看出，也是圓角端口的有效長(zhǎng)度明顯好于其它兩種情況，但是在風(fēng)速小于30m/s時(shí)，有效長(zhǎng)度隨著主流的風(fēng)速增加而增加，但當(dāng)風(fēng)速大于30m/s時(shí)，則均趨于平緩，并沒(méi)有明顯好轉(zhuǎn)趨勢(shì)。也說(shuō)明引射效果不會(huì)隨著風(fēng)速無(wú)限增強(qiáng)。

3.2 不同狹縫寬度

根據(jù)3.1結(jié)論可知，圓角端口的引射效果要好于其它兩種結(jié)構(gòu)，所以取圓角端口在狹縫寬度分別為δ=10mm,15mm, 20mm時(shí)，每種風(fēng)速下VY=0的壁面延伸長(zhǎng)度的情況，討論狹縫寬度對(duì)引射效果的影響。如下圖8所示。

由圖8可看出，10mm和15mm的狹縫寬度的引射效果相差不大，20mm的狹縫寬度的VY=0的壁面延伸長(zhǎng)度明顯較長(zhǎng)，可看出狹縫寬度越大，引射效果越好。說(shuō)明狹縫寬度越大，引射口的負(fù)壓梯度不大，越容易使環(huán)境氣體被引射進(jìn)主流道，也就更容易產(chǎn)生較好的壁面冷卻氣膜。

圖8 三種狹縫寬度不同風(fēng)速下VY=0的壁面延伸長(zhǎng)度

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)不同端面結(jié)構(gòu)，不同狹縫寬度的單級(jí)引射結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，取得了一些具有參考價(jià)值的結(jié)果：

1）圓形端口結(jié)構(gòu)的引射比明顯好于其它兩組端口，說(shuō)明外部環(huán)境更容易被引射進(jìn)流道，能更好的產(chǎn)生冷卻氣膜。

2）從VY=0的壁面延伸長(zhǎng)度的情況來(lái)看，圓形端口結(jié)構(gòu)的狹縫引射效果明顯好于直角和45°角的端面結(jié)構(gòu)，能在引射面產(chǎn)生較長(zhǎng)的壁面剪切層。也說(shuō)明圓形端口更適合引射結(jié)構(gòu)。

3）端口不變的情況下，狹縫寬度越寬，引射效果越理想，本文中，20mm狹縫寬度下的引射效果要好于10mm和15mm狹縫寬度的兩種情況，并且隨著風(fēng)速繼續(xù)提高，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到30m/s以后，有效引射長(zhǎng)度沒(méi)有明顯變化。說(shuō)明隨著風(fēng)速的不斷上升，引射口的負(fù)壓區(qū)對(duì)引射效果也有一定的影響。

[1]張小英, 王先煒, 比較研究多種氣膜冷卻模型的冷卻效果[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào), 2002, 4(17): 476-479.

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[3]杜朝輝, 鐘芳源.船用燃?xì)廨啓C(jī)排氣紅外抑制裝置的流動(dòng)分析[J].船舶工程, 1995(6): 25-28.

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2012年度全球船企新船訂單排名

據(jù)Clarkson統(tǒng)計(jì)，2012年韓國(guó)STX造船海洋旗下的15個(gè)造船廠共獲得了116艘298萬(wàn)CGT新船訂單，是全球獲得新船訂單最多的造船企業(yè)。

去年現(xiàn)代重工獲得了47艘240萬(wàn)CGT新船訂單，居第二。大宇造船海洋、三星重工、現(xiàn)代尾浦造船分別獲得了21艘111萬(wàn)CGT、22艘106萬(wàn)CGT、56艘106萬(wàn)CGT新船訂單，韓國(guó)這五家造船廠位居2012年度全球新船訂單前五名。接下來(lái)，Imabari公司獲得45艘87萬(wàn)CGT訂單、滬東中華造船獲得16艘67萬(wàn)CGT、Fincantieri獲得7艘52萬(wàn)CGT、大船重工獲得12艘48萬(wàn)CGT、外運(yùn)長(zhǎng)航集團(tuán)獲得23艘41萬(wàn)CGT、外高橋造船獲得18艘41萬(wàn)CGT訂單。

Numerical Calculation of the Different Port of Single Slit Ejector of Cooling Gas Film Influence

ZANG Ying-kai1，LU Zhen-hua2
(Institution Turbo Machinery, School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Slit ejector is one of the important structures in film cooling.It is used for the apparatus of the ships and the gas turbine exhaust emissions to reduce the exhaust emission temperature and protect the device.Most researches on this structure nowadays are about the overall performance.There are fewer researches which focus on the single ejector structure.Through the numerical simulations of three different ports and three different slit width of the structure, the best result of the single stage ejector structure and width size is given in this paper.

port; slit ejector; gas film; numerical calculation

TU85

A

臧穎愷（1987-），男，碩士研究生。研究方向：流體動(dòng)力學(xué)和流場(chǎng)分析。