擾流柱對層板冷卻葉片前緣傳熱影響的數(shù)值研究

盧元麗，王 鳴，吉洪湖，杜治能

（1.中航工業(yè)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽110015；2.南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，南京210016）

0 引言

燃燒室出口的高溫高壓燃?xì)馔ㄟ^渦輪作功，使得渦輪葉片工作環(huán)境惡劣，尤其是渦輪葉片前緣需要有效的熱防護(hù)，通常采用耐高溫材料和有效冷卻2種方式。美國GE公司DDA分公司于1974年開發(fā)了1種Lamilloy層板結(jié)構(gòu)[1]，其冷卻集氣膜、沖擊、強(qiáng)化對流換熱于一體，冷氣流量比常規(guī)冷卻的減少30%，節(jié)省下來的冷氣可以大大改善燃燒室出口溫度分布，并降低排氣污染。國外的層板冷卻技術(shù)已進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段[2]。

Favaretto等人[3]對不同沖擊孔、氣膜孔、擾流柱直徑和不同通道高度的層板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬和傳熱優(yōu)化分析。Funazaki等人[4-5]的研究表明，相對于一般的射流沖擊換熱，帶擾流柱的射流沖擊可使換熱有效面積增加50%左右；通過與試驗(yàn)結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，在有沖擊射流的流動(dòng)中采用k-ε 湍流模型可以得到更適合的局部換熱系數(shù)。近年郁新華、全棟梁等人[6-11]以平板為模型，詳細(xì)研究了層板冷卻的開孔率、擾流方式、擾流柱形狀、通道高度等內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)以及主流和二次流的雷諾數(shù)、吹風(fēng)比等流場參數(shù)對層板的流動(dòng)與換熱規(guī)律的影響。數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果表明，氣流的沖擊和反沖以及擾流柱柱面使得換熱面積增大是層板冷卻結(jié)構(gòu)具有高效換熱的主要原因。

本文主要對葉片前緣采用層板冷卻的方式進(jìn)行數(shù)值模擬研究。在氣膜孔、沖擊孔和擾流柱的相對位置分布一定的情況下，比較沖擊雙層壁和帶圓形、方形、菱形擾流柱4種層板冷卻葉片前緣的換熱特性。

1 計(jì)算模型

1.1 物理模型

共設(shè)計(jì)雙層壁和帶圓形、方形、菱形擾流柱的4種層板冷卻葉片前緣結(jié)構(gòu)數(shù)值分析模型，沖擊雙層壁結(jié)構(gòu)和帶擾流柱的層板結(jié)構(gòu)的局部流動(dòng)方式如圖1所示，其中氣膜孔、沖擊孔和擾流柱的相對位置關(guān)系如圖2所示。葉片前緣由內(nèi)板、外板、擾流柱及擋板組成，如圖3所示。內(nèi)板上開有沖擊孔，外板上開有8排氣膜孔，按順時(shí)針方向依次編號為1～8。前緣與葉片中部用假設(shè)的擋板隔開，擋板只對其附近區(qū)域的流動(dòng)與換熱產(chǎn)生影響，便于重點(diǎn)考察前緣區(qū)域的流動(dòng)與換熱。前緣外板的表面上M、N2點(diǎn)間的弧長為l；為討論方便采用沿葉片表面的貼體坐標(biāo)s，坐標(biāo)原點(diǎn)在5號氣膜孔排的中心線與葉片表面的交點(diǎn)上，s 的正向指向葉片的壓力面，負(fù)向指向葉片的吸力面。氣膜孔孔徑為df，叉排，沿葉高方向間距h=7.825df，軸線與葉高方向傾角為30°，擾流柱的當(dāng)量直徑dpf=1.25df，葉片前緣層板結(jié)構(gòu)中進(jìn)氣板厚hinlet=1.5df，出氣板靶板厚houtlet=1.75df，2層板之間的隔腔厚hs=1.5df，沖擊孔的孔徑dih=2df。

圖1 沖擊雙層壁與帶擾流柱的層板結(jié)構(gòu)

圖2 氣膜孔、沖擊孔和擾流柱的位置分布

圖3 前緣模型

1.2 邊界條件與物性參數(shù)

為保證研究的一般性并減少網(wǎng)格量，本文取1個(gè)葉柵通道的葉片前緣部分作為計(jì)算域，包括流體域和固體域，其中流體域包括冷氣域和熱流域。

本文對葉片前緣和燃?xì)膺M(jìn)行流熱耦合計(jì)算，計(jì)算域的邊界條件設(shè)置如圖4所示。將燃?xì)鈦砹鲏毫屠錃馇粊砹鲏毫υO(shè)為進(jìn)口壓力；將冷氣與燃?xì)饣旌虾蟮膲毫υO(shè)為出口壓力；將柵距方向的端面設(shè)置為周期性邊界條件，將葉片前緣與流體接觸的面設(shè)為耦合面，其他面為絕熱邊界。

圖4 邊界條件設(shè)置

計(jì)算過程中冷熱氣體均以理想氣體處理，氣體的比熱容、黏性系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)定為根據(jù)分子運(yùn)動(dòng)論進(jìn)行變化。葉片材料為DD6單晶合金，比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化，采用線性擬合公式擬合。

1.3 網(wǎng)格劃分與獨(dú)立性驗(yàn)證

計(jì)算域采用4面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。外板的前緣外表面和內(nèi)板內(nèi)表面附近網(wǎng)格采取加密措施。由于前緣內(nèi)外板、隔腔通道、氣膜孔、擾流柱和沖擊孔為主要關(guān)注區(qū)域，所以網(wǎng)格劃分較細(xì)密，比例依次為41%、16.3%、0.8%、0.9%、1.33%。靶面平均溫度隨網(wǎng)格量的變化如圖5所示。為節(jié)約計(jì)算資源，本文計(jì)算模型的網(wǎng)格量為255萬左右。

2 計(jì)算方法

圖5 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

采用商業(yè)軟件FLUENT的分離隱式穩(wěn)態(tài)求解器求解3維N-S 方程，并運(yùn)用RNGk-ε 湍流模型和非平衡的壁面函數(shù)；各物理量的離散格式均為2階迎風(fēng)格式；壓力-速度的耦合采用Simple算法；解收斂標(biāo)準(zhǔn)除了質(zhì)量方程的最大相對殘差小于10-3外，其余各項(xiàng)變量的相對殘差均小于10-5，并且靶面和前緣表面的平均溫度的變化都在±1K之內(nèi)。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 層板冷卻葉片前緣流動(dòng)結(jié)果分析

總壓損失系數(shù)定義為

圖6 總壓損失系數(shù)

圖7 不同模型的冷氣流量

前緣各排氣膜孔處的總壓損失系數(shù)如圖6所示。第5排氣膜孔的總壓損失最小，其兩側(cè)的氣膜孔總壓損失逐漸增大，并且吸力面?zhèn)鹊牡?～4排氣膜孔的總壓損失大于壓力面?zhèn)鹊牡?～8排氣膜孔的；在同一排氣膜孔處，本文的4種模型的總壓損失系數(shù)差別不大。不同模型的各排氣膜孔的冷氣流量分布如圖7所示。當(dāng)冷卻流量基本相等時(shí)，層板結(jié)構(gòu)的內(nèi)部流動(dòng)損失大小與沖擊孔、擾流柱、氣膜孔的相對位置有關(guān)，而本文中前緣層板結(jié)構(gòu)的排布方式是在文獻(xiàn)[6]中所提出的繞流方式中對流動(dòng)影響最小的1種，氣流在由沖擊孔進(jìn)入隔腔通道后，大部分冷氣沿著靶面流向氣膜孔，橫掠擾流柱的氣流很少。因此，在本文中的沖擊雙層壁和帶擾流柱的層板結(jié)構(gòu)中，任意氣膜孔排處的總壓損失差別很小。

3.2 層板冷卻葉片換熱結(jié)果分析

為消除邊緣效應(yīng)的影響，本文在數(shù)據(jù)處理時(shí)只給出A-A 到C-C 截面之間的換熱結(jié)果。前緣的曲率較大，本文將不同角度的云圖在5排氣膜孔處拼接得到完整的靶面或前緣表面云圖。

3.2.1 靶面的對流換熱系數(shù)分布

4種不同前緣模型的靶面對流換熱系數(shù)分布如圖8所示。沖擊雙層壁和帶擾流柱的層板冷卻葉片前緣的靶面沖擊滯止區(qū)的對流換熱系數(shù)分布比較接近，在沖擊滯止區(qū)內(nèi)對流換熱系數(shù)最大，遠(yuǎn)離沖擊滯止區(qū)對流換熱系數(shù)逐漸減小；在帶擾流柱的層板前緣結(jié)構(gòu)的靶面上各氣膜孔進(jìn)口之間的低對流換熱區(qū)較少；方形擾流柱靶面對流換熱系數(shù)的影響比圓形、菱形靶面的影響大，差別不明顯。原因是氣流在進(jìn)、出口壓差的驅(qū)動(dòng)下由冷氣腔流經(jīng)沖擊孔進(jìn)入隔腔沖擊靶板，在靶面速度降至0后偏轉(zhuǎn)，在沖擊區(qū)形成對流換熱系數(shù)較大的區(qū)域；由于4種不同的前緣模型中沖擊孔的分布和孔徑相同，氣流沖擊到靶面上的流動(dòng)狀態(tài)相近，因此在靶面上沖擊區(qū)的對流換熱系數(shù)比較接近。

之后，一部分氣流反轉(zhuǎn)流向前緣內(nèi)板，與其外側(cè)面進(jìn)行換熱；另一部分氣流橫掠擾流柱流向下游，由于擾流柱處于氣膜孔進(jìn)口之間，剛好是沖擊雙層壁的靶面對流換熱系數(shù)較小的區(qū)域，在擾流柱前形成流動(dòng)渦，使此處氣流流動(dòng)更加紊亂，增加了擾動(dòng)，從而使此處的換熱系數(shù)增大；還有一部分氣流沿著靶面流向氣膜孔。這些氣流相互影響，形成復(fù)雜的3維流動(dòng)。

圖8 靶面對流換熱系數(shù)分布

3.2.2 前緣表面冷卻效率分布

葉片前緣表面的冷卻效率分布如圖9所示。從圖中可見，冷卻效率在前緣區(qū)域駐點(diǎn)附近較低，沿流向逐漸升高，而在靠近隔腔的末端，由于擋板的存在使其再次降低，并且在靠近壓力面的高冷卻效率區(qū)的面積大于靠近吸力面?zhèn)鹊?；帶擾流柱的前緣表面的冷卻效率明顯比沖擊雙層壁的高；方形擾流柱前緣冷卻效率最高，氣膜覆蓋效果最好，菱形的次之，圓形的最差。

圖9 前緣表面冷卻效率分布

結(jié)合圖7給出的不同模型中不同氣膜孔排的冷氣流量分析：雖然第1排氣膜孔的冷氣流量最大，但是由于下游靠近前緣區(qū)域有擋板，使氣流流動(dòng)不暢，導(dǎo)致冷卻效率較低；第3、7排氣膜孔冷氣流量比其他排的流量大，氣膜孔下游的冷卻效率較高，并且覆蓋良好；而第5排氣膜孔處在前緣的駐點(diǎn)區(qū)附近，氣流難以在此處形成氣膜，則相應(yīng)的冷卻效率較低。擾流柱在層板冷卻結(jié)構(gòu)中起到很大的作用，首先對層板結(jié)構(gòu)起到支撐作用，增大了葉片的強(qiáng)度；其次其柱面增大隔腔通道內(nèi)部的換熱面積、增強(qiáng)通道的紊流等作用都提高了層板內(nèi)部的換熱效率；同時(shí)擾流柱的導(dǎo)熱作用會(huì)使層板葉片的溫度分布趨于均勻，減小熱應(yīng)力。因此，帶擾流柱的層板冷卻葉片前緣的冷卻效率比沖擊雙層壁的更高。方形擾流柱楔形柱面對氣流的導(dǎo)流作用，使氣流流出氣膜孔后在前緣表面形成很好的氣膜覆蓋。氣流由沖擊孔流入隔腔通道后，一部分垂直沖向菱形擾流柱的柱面，氣流滯止偏轉(zhuǎn)，提高了隔腔通道內(nèi)部的換熱效率；同時(shí)冷氣帶走了擾流柱柱面的大部分熱量，擾流柱的導(dǎo)熱作用使葉片前緣的溫度降低。而圓形擾流柱增強(qiáng)換熱的綜合作用效果比方形與菱形的稍差。

4 結(jié)論

（1）沖擊雙層壁的總壓損失與帶圓形、方形、菱形擾流柱的層板冷卻葉片前緣的相差不大。

（2）帶擾流柱葉片前緣靶面的對流換熱系數(shù)小的低換熱區(qū)比沖擊雙層壁前緣的靶面的少；方形、菱形與圓形擾流柱的靶面換熱系數(shù)差別不大。

（3）在葉片前緣表面駐點(diǎn)附近的冷卻效率較低，靠近壓力面、吸力面?zhèn)鹊睦鋮s效率較高；方形擾流柱的氣膜覆蓋最好，菱形與圓形次之。

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