氣膜孔幾何位置對(duì)旋流冷卻流動(dòng)與傳熱特性的影響

范小軍,杜長河,李亮,李森

(西安交通大學(xué)葉輪機(jī)械研究所,710049,西安)

?

氣膜孔幾何位置對(duì)旋流冷卻流動(dòng)與傳熱特性的影響

范小軍,杜長河,李亮,李森

(西安交通大學(xué)葉輪機(jī)械研究所,710049,西安)

為了研究氣膜孔幾何位置對(duì)旋流冷卻特性的影響,建立了帶有氣膜孔的旋流腔冷卻結(jié)構(gòu),利用流體動(dòng)力學(xué)軟件ANSYS CFX對(duì)比分析了有無氣膜孔情況下旋流冷卻性能的差異,并研究了氣膜孔軸寬比和周向角度對(duì)旋流冷卻流動(dòng)和換熱特性的影響。研究結(jié)果表明:氣膜孔對(duì)旋流腔靶面旋流冷氣運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生強(qiáng)烈擾動(dòng),使氣膜孔上游冷氣流速增加,下游冷氣流速降低;氣膜孔使主流流線向斜下方偏轉(zhuǎn),增強(qiáng)了整體換熱強(qiáng)度且整體壓力分布趨于均勻;軸寬比從0.3增加到0.7,氣膜孔對(duì)整體流動(dòng)和傳熱影響不大,軸寬比增加到0.9,主流小旋渦消失且靶面Nu分布更均勻;周向角度小于0°時(shí),隨著周向角度的增加,氣膜孔上游高速區(qū)增大,周向角度超過0°后,高速區(qū)隨周向角度增長不明顯;隨著周向角度增加,周向平均壓力系數(shù)增加,氣膜孔附近高Nu區(qū)擴(kuò)大,靶面高Nu區(qū)分布更均勻。

旋流冷卻;氣膜孔;軸寬比;周向角度

燃?xì)廨啓C(jī)廣泛應(yīng)用于航空動(dòng)力、陸用發(fā)電、艦船推進(jìn)等領(lǐng)域,目前其進(jìn)口燃?xì)鉁囟冗h(yuǎn)遠(yuǎn)超過葉片材料的耐熱極限,尤其葉片前緣區(qū)域受到燃?xì)庵苯記_刷,承載著高熱負(fù)荷,這對(duì)葉片前緣冷卻提出了更高的要求。作為提高局部換熱系數(shù)較為有效的冷卻方式,旋流冷卻因其高傳熱強(qiáng)度和小流動(dòng)阻力等優(yōu)點(diǎn)日益受到研究者的關(guān)注。

科研人員對(duì)旋流冷卻的機(jī)理和影響因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究。Glezer等首次提出適用于燃?xì)廨啓C(jī)葉片的旋流腔冷卻結(jié)構(gòu),并將旋流冷卻應(yīng)用于燃機(jī)葉片的冷卻設(shè)計(jì)[1]。Kreith等發(fā)現(xiàn)旋流氣體因較大徑向梯度和較薄熱邊界層使換熱強(qiáng)度顯著增強(qiáng)[2]。杜長河等數(shù)值研究了噴嘴幾何形狀以及雷諾數(shù)對(duì)旋流冷卻性能的影響,發(fā)現(xiàn)在大噴嘴長寬比時(shí),Nu數(shù)沿旋流腔周向和軸向的分布較為均勻;隨著雷諾數(shù)的增大,冷氣在旋流腔中的流動(dòng)結(jié)構(gòu)不變,而冷氣速度、湍流動(dòng)能、壓力系數(shù)和壁面Nu數(shù)均顯著增大[3-4]。Hay等發(fā)現(xiàn)傳熱和旋流強(qiáng)度之間有著較為緊密的聯(lián)系[5]。Hedlund等應(yīng)用紅外探測技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究了溫比和雷諾數(shù)對(duì)旋流傳熱系數(shù)的影響[6]。Liu等建立了簡單的雙進(jìn)口式旋流腔結(jié)構(gòu),數(shù)值分析了進(jìn)口高度對(duì)前緣旋流冷卻的影響,結(jié)果表明進(jìn)口高度對(duì)旋渦中心和旋流特性有較大影響[7]。Al-Zuifi等采用大渦模擬數(shù)值分析了旋轉(zhuǎn)對(duì)葉片冷卻的影響,發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)速度對(duì)冷卻起主導(dǎo)作用[8]。Gr?f等數(shù)值研究了反腎渦對(duì)流動(dòng)換熱的作用,并且發(fā)現(xiàn)其對(duì)冷氣流場產(chǎn)生了十分重要的影響[9]。

目前,旋流冷卻的研究成果主要基于單純的旋流腔內(nèi)冷結(jié)構(gòu)模型,很少考慮帶有氣膜孔復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)下旋流冷卻的流動(dòng)和換熱特性。Shen指出氣膜孔幾何位置對(duì)U型通道的氣動(dòng)和換熱有著重要影響[10]。事實(shí)上,氣膜孔布置同樣對(duì)旋流冷卻特性有著顯著影響,研究復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)下旋流腔的流動(dòng)與傳熱特性對(duì)于指導(dǎo)葉片前緣冷卻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)有著重要意義。針對(duì)以上的研究,本文以杜長河等建立的葉片前緣旋流冷卻模型為基礎(chǔ)[4],構(gòu)建了帶有氣膜孔的旋流腔結(jié)構(gòu),數(shù)值研究了氣膜孔幾何位置對(duì)旋流冷卻流動(dòng)和換熱特性的影響規(guī)律,以期加強(qiáng)對(duì)復(fù)合冷卻方式下葉片前緣旋流冷卻的機(jī)理認(rèn)識(shí)。

1 計(jì)算模型和數(shù)值方法

圖1給出帶氣膜孔的旋流冷卻腔的幾何模型。主體旋流腔結(jié)構(gòu)及其尺寸依據(jù)實(shí)際燃機(jī)第一級(jí)靜葉的前緣結(jié)構(gòu)建立,采用矩形噴嘴切向進(jìn)氣。由于實(shí)際燃機(jī)葉片前緣冷卻由內(nèi)部冷卻和氣膜冷卻組成,因此在腔體壁面開設(shè)氣膜孔以更真實(shí)模擬實(shí)際葉片前緣旋流冷卻情況。由圖1可知,冷氣從9個(gè)矩形進(jìn)口垂直射入腔室,主流冷氣在旋流腔中旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并從出口流出,小部分冷氣從18個(gè)氣膜孔流出。表1給出了旋流腔結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)。本文保持主體腔室?guī)缀螀?shù)、氣膜孔間距和數(shù)量不變,通過改變氣膜孔軸向位置和周向角度α(逆時(shí)針為正)來研究氣膜孔幾何位置變化對(duì)旋流冷卻流動(dòng)和傳熱特性的影響。氣膜孔軸向位置的軸寬比為

(1)

不同氣膜孔幾何位置的工況分布如表2所示。

圖2給出了旋流腔結(jié)構(gòu)計(jì)算模型和網(wǎng)格圖。計(jì)算網(wǎng)格采用ICEM軟件生成,主體網(wǎng)格采用H型網(wǎng)格劃分,葉根和葉頂進(jìn)行C型網(wǎng)格劃分,為了提高網(wǎng)格質(zhì)量,氣膜孔附近區(qū)域進(jìn)行了內(nèi)、外O型網(wǎng)格劃分。利用ANSYS CFX軟件求解全三維RANS方程進(jìn)行流動(dòng)換熱模擬,計(jì)算總體精度為二階,工質(zhì)為理想氣體。杜長河等指出標(biāo)準(zhǔn)k-ω湍流模型對(duì)于計(jì)算旋流冷卻問題具有最佳的計(jì)算精度[4],本文也采用標(biāo)準(zhǔn)k-ω湍流模型進(jìn)行計(jì)算。邊界條件是:進(jìn)口總溫為350 K,進(jìn)口湍流強(qiáng)度為5%,變化進(jìn)口流速保證旋流腔雷諾數(shù)Re=10 000;出口平均靜壓為0.11 MPa;單個(gè)氣膜孔出口質(zhì)量流量為進(jìn)口總質(zhì)量流量的1%;由于傳熱靶面為主要換熱面,故給定傳熱靶面溫度為500 K,其他壁面絕熱,所有壁面均保持速度無滑移。

b:進(jìn)口長;c:進(jìn)口寬;D:旋流腔直徑;d:氣膜孔直徑;e:相鄰進(jìn)口間距;h1:進(jìn)口高;h2:出口高;h3:旋流腔高;L:旋流腔長;L2:氣膜孔長;L1:氣膜孔距葉頂距離圖1 旋流腔幾何模型

表2 氣膜孔變幾何位置工況

圖2 旋流腔計(jì)算模型和網(wǎng)格圖

定義旋流腔雷諾數(shù)

(2)

式中:ρ為平均冷氣密度;Vt為旋流腔軸向平均速度;Dl為腔體橫截面水力直徑;μ為平均動(dòng)力黏性系數(shù)。

利用努塞爾數(shù)來表征換熱強(qiáng)度,即

(3)

式中:qw為壁面熱流密度;Tw為靶面溫度;Tj為冷氣進(jìn)口總溫;λ為導(dǎo)熱系數(shù)。

定義量綱為1壓力系數(shù)來描述冷氣的靜壓,即

(4)

式中:P為冷氣靜壓;Pso為出口靜壓;Ptj為進(jìn)口總壓。

本文針對(duì)工況1進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證分析,圖3給出靶面平均努塞爾數(shù)隨網(wǎng)格數(shù)量的變化曲線,最終確定計(jì)算網(wǎng)格數(shù)量為1 000萬。

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性分析

2 結(jié)果分析

2.1 氣膜孔對(duì)旋流冷卻的影響

本節(jié)選取工況1和不加氣膜孔兩種工況對(duì)比分析氣膜孔對(duì)旋流冷卻流動(dòng)和傳熱特性的影響規(guī)律。為了保證對(duì)比分析的公平性,保持兩種工況的進(jìn)口冷氣流量相同。圖4給出兩種工況下典型進(jìn)口冷氣流動(dòng)情況。

圖4 無氣膜孔和有氣膜孔旋流腔內(nèi)三維流線

首先,對(duì)兩者共性進(jìn)行分析。從單個(gè)進(jìn)口來看,冷氣從進(jìn)口切向射入旋流腔中,形成高速旋流并向下游運(yùn)動(dòng),流動(dòng)在徑向方向收縮,在軸向方向拉長。這是因?yàn)楦咚倮錃庠谟龅綀A形靶面后速度降低,形成的旋流在冷氣流量的持續(xù)增加下產(chǎn)生徑向速度梯度向下游流動(dòng)。隨著旋轉(zhuǎn)流動(dòng)向下游發(fā)展,周向速度降低使得流動(dòng)徑向收縮,軸向速度增加導(dǎo)致流線逐漸拉長。從整體上看,旋流冷氣與軸向主流產(chǎn)生強(qiáng)烈摻混,使軸向和周向速度變大,流線向內(nèi)收縮趨勢減弱。在靠近出口附近處,由于冷氣流動(dòng)接近葉根壁面,冷氣速度略有增加。

其次,對(duì)有無氣膜孔的差別進(jìn)行分析。存在氣膜孔情況時(shí),高速旋流冷氣一部分從氣膜孔流出,導(dǎo)致旋流腔流量減小,軸向流速降低,從而降低了流線拉長程度。圖5給出了有無氣膜孔情況下旋流腔yz截面流動(dòng)細(xì)節(jié)圖,由圖5可知,由于氣膜孔的抽吸作用,氣膜孔上游冷氣流速增大,下游流速減小。這是因?yàn)楦咚倮錃饬髟诹魅霘饽た讜r(shí),冷氣產(chǎn)生分離,部分冷氣進(jìn)入氣膜孔,氣膜孔內(nèi)部與旋流腔內(nèi)部壓差使得上游冷氣流速增大。進(jìn)入氣膜孔的冷氣沖擊孔壁使孔內(nèi)右側(cè)流速增加,而在氣膜孔左側(cè)產(chǎn)生低速回流區(qū);未進(jìn)入氣膜孔的大部分冷氣脫離氣膜孔上游壁面后重新沖擊在氣膜孔下游壁面,產(chǎn)生新的邊界層。因此,氣膜孔存在對(duì)旋流冷卻內(nèi)部流動(dòng)產(chǎn)生強(qiáng)烈擾動(dòng),改變了腔體內(nèi)冷氣的速度分布。

圖5 無氣膜孔和有氣膜孔時(shí)yz截面流動(dòng)細(xì)節(jié)

圖6給出了旋流腔xz截面流線和壓力分布云圖,由圖6可知,在每個(gè)進(jìn)口對(duì)應(yīng)的旋流腔底部形成小旋渦,旋渦尺寸沿著流動(dòng)方向逐漸減小,旋渦附近冷氣流動(dòng)方向變化較大。這是由于冷氣在流動(dòng)過程中軸向速度不斷衰減,當(dāng)遇到新的高速冷氣時(shí),兩種不同速度的冷氣相互摻混,產(chǎn)生旋渦;隨著冷氣軸向速度的增加,其與進(jìn)口高速冷氣速度差越來越小,因而旋渦尺寸逐漸減小。對(duì)于無氣膜情況,冷氣在進(jìn)口1、2附近形成一個(gè)大旋渦;對(duì)于有氣膜情況,由于一部分冷氣流入氣膜孔而導(dǎo)致大旋渦消失,沿著氣膜孔方向速度分量較大,整體流動(dòng)波動(dòng)較小。此外,受氣膜孔的抽吸作用,有氣膜孔的流線一致向斜下方偏轉(zhuǎn),而無氣膜孔的流線主要沿軸向分布。這也將導(dǎo)致有氣膜孔時(shí)旋流腔冷氣對(duì)壁面沖刷更劇烈,使得換熱強(qiáng)度增加。在無氣膜孔時(shí),旋流腔壓力呈現(xiàn)壁面處高、中間低的分布,且隨流動(dòng)方向整體降低。這是因?yàn)槔錃庠谛髑粌?nèi)旋轉(zhuǎn)前進(jìn),受到離心力的作用有向四周擴(kuò)散的趨勢,由于壁面的存在使得壁面處壓力高、中間壓力低,而后隨著流動(dòng)進(jìn)行,軸向冷氣速度逐漸增加,與下游新的冷氣混合后使得徑向速度降低,離心作用相應(yīng)減弱,因而壓力整體降低。在有氣膜孔時(shí),旋流腔壓力較低,分布比無氣膜孔時(shí)均勻,氣膜孔附近區(qū)域壓力略有升高。這是因?yàn)椴糠指咚倮錃庵苯訌臍饽た琢鞒?降低了冷氣的徑向速度,使得冷氣在離心力作用下對(duì)壁面的擠壓減弱,因而壓力分布較無氣膜孔均勻,并且氣膜孔附近由于流動(dòng)受到擾動(dòng)使得局部壓力升高。所以,氣膜孔的存在使得旋流腔整體壓力分布趨于均勻。

圖6 無氣膜孔和有氣膜孔xz截面流線和壓力云圖

(a)無氣膜孔Nu分布

(b)有氣膜孔Nu分布圖7 無氣膜孔和有氣膜孔Nu分布云圖

氣膜孔存在對(duì)旋流腔換熱強(qiáng)度有著顯著影響,圖7給出了有無氣膜孔時(shí)靶面Nu分布云圖。首先從兩者共性方面進(jìn)行分析,旋流腔噴嘴進(jìn)口附近存在兩個(gè)條狀高Nu區(qū),而其中間區(qū)域Nu略低。這是因?yàn)楦咚倮錃庠诹魅氚忻鏁r(shí)速度很快,沖刷靶面熱邊界層,大大減薄熱邊界層厚度,明顯提高換熱強(qiáng)度。由于進(jìn)口冷氣還會(huì)與旋流腔內(nèi)低速冷氣混合,高速冷氣向兩端擴(kuò)散,出現(xiàn)兩個(gè)條狀高Nu區(qū)域。在出口處,由于出口轉(zhuǎn)折角的存在,有回流區(qū)形成,因此熱邊界層較厚,換熱強(qiáng)度低,出現(xiàn)低Nu區(qū)。有氣膜孔情況下,氣膜孔附近靶面換熱增強(qiáng),不僅使進(jìn)口條狀高Nu區(qū)拉長,而且氣膜孔下游也出現(xiàn)條狀高Nu區(qū)。氣膜孔的存在使得上游流速增加,因而進(jìn)一步減薄熱邊界層,增加換熱強(qiáng)度,使高Nu區(qū)拉長。冷氣流經(jīng)氣膜孔時(shí)產(chǎn)生分離,并沖擊在氣膜孔下游壁面從而重新生成邊界層,增強(qiáng)冷氣的摻混,所以此處換熱強(qiáng)度高。雖然氣膜孔的存在使得旋流腔中冷氣流量減少,但是氣膜孔加強(qiáng)了冷氣的擾動(dòng),改變了腔體內(nèi)部的流線和壓力分布。與單純旋流內(nèi)冷結(jié)構(gòu)相比,氣膜孔的存在使得Nua提高了5.2%。

2.2 氣膜孔軸向位置對(duì)旋流冷卻的影響

保持氣膜孔周向角度α=0°,選取軸寬比S為0.3、0.5、0.7和0.94時(shí)4種工況來分析軸向位置對(duì)旋流冷卻特性的影響。圖8給出4種工況下xz平面流線和壓力分布云圖,給出了進(jìn)口1、2與氣膜孔相對(duì)位置的示意圖。由圖8可知,4種工況下的壓力分布基本相同,呈現(xiàn)旋流腔壁面附近壓力高、中間低、沿流動(dòng)方向逐漸降低的趨勢,而在氣膜孔內(nèi)部壓力普遍較低。隨著S增大,冷氣在氣膜孔附近形成的旋渦變小,特別當(dāng)S=0.9時(shí)很多小旋渦消失。這是由于在S=0.9時(shí)相鄰氣膜孔十分接近進(jìn)口兩側(cè),一部分冷氣從氣膜孔流出,與主流冷氣的混合作用減弱,從而旋渦減小甚至消失。

(a)S=0.3

(b)S=0.5

(c)S=0.7

(d)S=0.9圖8 α=0°時(shí)不同S下xz截面流線和壓力分布云圖

圖9給出了不同軸寬比下壓力系數(shù)沿軸向的分布曲線。壓力系數(shù)沿著軸向下游方向逐漸波動(dòng)降低,波峰對(duì)應(yīng)噴嘴進(jìn)口位置,而波谷對(duì)應(yīng)相鄰噴嘴中間位置。在氣膜孔對(duì)應(yīng)位置處,由于氣膜孔抽吸作用,壓力系數(shù)發(fā)生突降。在靠近出口處,由于冷氣運(yùn)動(dòng)角度發(fā)生轉(zhuǎn)折,壓力系數(shù)也會(huì)突降?？傮w上,軸寬比越大,壓力系數(shù)波動(dòng)越小。這是由于相鄰氣膜孔十分接近進(jìn)口截面的兩端,流速變化較為平緩,導(dǎo)致此處壓力系數(shù)波動(dòng)較小。

圖9 α=0°時(shí)不同S下壓力系數(shù)沿軸向分布曲線

圖10給出了不同軸寬比下靶面Nu分布云圖。由圖10可知,當(dāng)S從0.3增加到0.5、0.7增加到0.9時(shí),平均換熱系數(shù)Nua增加,而S=0.5,0.7時(shí)Nua相差不大。分析其原因是,Nu分布云圖中的每一個(gè)矩形進(jìn)口冷氣左邊的速度要略大于右邊的速度。當(dāng)S從0.3增加到0.5、0.7增加到0.9時(shí),結(jié)合圖8可知,處于相鄰進(jìn)口間的氣膜孔位置逐漸向進(jìn)口冷氣左端偏移,平均換熱系數(shù)增加。S=0.5,0.7時(shí)兩者氣膜孔和冷氣進(jìn)口相對(duì)位置關(guān)系十分接近,因此平均換熱系數(shù)相似。此外,S=0.9時(shí),相鄰兩個(gè)氣膜孔十分靠近進(jìn)口兩端,因此冷氣從進(jìn)口流入后一部分直接從氣膜孔流出,向兩側(cè)擴(kuò)散較弱,流速保持較高水平,減薄熱邊界層,出現(xiàn)較大的高Nu區(qū)域。

圖10 α=0°時(shí)不同S下靶面Nu分布云圖

2.3 氣膜孔周向角度對(duì)旋流冷卻的影響

固定S=0.5,選取周向角度為-60°、-30°、0°、30°、60°時(shí)5種工況來分析周向角度對(duì)旋流冷卻的影響。圖11給出了不同周向角度下沿軸向不同截面處的流線和速度云圖,4個(gè)截面位置分別對(duì)應(yīng)進(jìn)口1、4、7、9。由圖11可知,隨著冷氣射入旋流腔,其速度急劇減小,并形成大尺度旋渦,隨著冷氣沿著軸向流動(dòng),旋渦中心沿軸向方向基本不變。氣膜孔周向角度對(duì)冷氣流速有著顯著影響,呈現(xiàn)出氣膜孔上游流速高下游流速低的分布規(guī)律。當(dāng)α<0°時(shí),隨著周向角度增加,氣膜孔左側(cè)高速區(qū)域擴(kuò)大;當(dāng)α>0°時(shí),高速區(qū)域增長緩慢。這是因?yàn)闅饽た纂m然會(huì)對(duì)進(jìn)口冷氣產(chǎn)生擾動(dòng),但這是在冷氣速度較高的前提下。當(dāng)α>0°時(shí),氣膜孔上游冷氣速度較小,氣膜孔對(duì)冷氣的流速增長的影響不再明顯。

圖11 S=0.5時(shí)不同α下yz截面流線和速度云圖

圖12給出了不同周向角度下壓力系數(shù)沿軸向的分布。由圖12可知,不同周向角度下壓力系數(shù)分布規(guī)律相似,但是數(shù)值隨著周向角度的增加而增加。當(dāng)α<-30°或α>30°時(shí),壓力系數(shù)增幅增大。

圖12 S=0.5時(shí)不同α下壓力系數(shù)沿軸向分布

圖13給出了不同周向角度下靶面Nu的分布云圖。由圖13可知,氣膜孔周向角度對(duì)Nua的影響較小,但對(duì)Nu分布有著顯著影響。當(dāng)-60°≤α≤0°,即進(jìn)口冷氣與氣膜孔同側(cè)時(shí),氣膜孔附近高Nu區(qū)較小;隨著角度的增加,靶面高Nu區(qū)分布趨于均勻,但數(shù)量級(jí)降低。Nu區(qū)分布均勻性指靶面沿著軸向、周向高Nu區(qū)較低Nu區(qū)多的程度,高Nu區(qū)更多、分布更均勻。上述現(xiàn)象的形成機(jī)理可以用圖11來解釋,由于氣膜孔周向角度較小,有一半氣膜孔處于進(jìn)口冷氣沖刷區(qū)外圍,因此這些氣膜孔周圍冷氣流速較低,熱邊界層較厚,高Nu區(qū)較小。隨著α增加,氣膜孔逐漸處于冷氣沖刷區(qū)邊界處,使其上游冷氣速度逐漸增大,從而熱邊界層減薄,換熱強(qiáng)度增加,出現(xiàn)逐漸拉長的兩條高Nu區(qū)且分布更均勻。此外,周向角度越大,氣膜孔對(duì)進(jìn)口冷氣中部影響越小,因此中部高Nu區(qū)越小,總體數(shù)量級(jí)就越低。

圖13 S=0.5時(shí)不同α下靶面Nu分布云圖

當(dāng)0°<α≤60°時(shí),即進(jìn)口冷氣與氣膜孔異側(cè),氣膜孔附近高Nu區(qū)較大,且隨著周角度的增加,氣膜孔對(duì)冷氣沖刷區(qū)的影響越來越小,甚至條狀高Nu區(qū)消失,整體Nu分布更均勻,但數(shù)量級(jí)更低。由圖11可知,當(dāng)α>0°時(shí),氣膜孔對(duì)上游冷氣的加速作用很小,因此對(duì)換熱強(qiáng)度的增加很小,兩條高Nu區(qū)變小且分布更加均勻,數(shù)量級(jí)更低,靶面Nu分布與無氣膜孔的情況類似。又由于氣膜孔完全處在冷氣沖刷區(qū)下游,加上氣膜孔的擾動(dòng),氣膜孔附近高Nu區(qū)較大。

綜合以上分析,當(dāng)-60°≤α≤0°,即進(jìn)口冷氣與氣膜孔同側(cè)時(shí),氣膜孔附近高Nu區(qū)較小;α越大,靶面高Nu區(qū)分布越均勻,但數(shù)量級(jí)越低。當(dāng)0°<α≤60°,即進(jìn)口冷氣與氣膜孔異側(cè)時(shí),隨著角度增加,氣膜孔對(duì)冷氣沖刷區(qū)的影響越來越小,甚至條狀高Nu區(qū)消失,但氣膜孔附近高Nu區(qū)增大。

3 結(jié) 論

本文建立了帶有氣膜孔的葉片前緣旋流冷卻結(jié)構(gòu)模型,通過求解RANS方程和標(biāo)準(zhǔn)k-ω湍流模型,對(duì)比分析了有無氣膜孔情況下旋流冷卻性能差異,研究了氣膜孔軸寬比和周向角度對(duì)旋流冷卻流動(dòng)和換熱特性的影響,主要結(jié)論如下。

(1)氣膜孔存在對(duì)旋流冷卻內(nèi)部流動(dòng)產(chǎn)生強(qiáng)烈擾動(dòng),使氣膜孔上游冷氣流速增加,下游流速降低,氣膜孔內(nèi)形成低速回流區(qū)。氣膜孔使旋流腔主流冷氣流線向斜下方偏轉(zhuǎn),壓力分布更加均勻。

(2)氣膜孔對(duì)旋流冷卻流動(dòng)和傳熱特性有著顯著影響。氣膜孔加強(qiáng)了進(jìn)口冷氣的換熱效果,并在氣膜孔下游出現(xiàn)高Nu區(qū)。氣膜孔的存在雖然減少了冷氣流量,但平均換熱強(qiáng)度提高了5.2%。

(3)0.3

(4)當(dāng)α<0°時(shí),隨著周向角度增加,氣膜孔左側(cè)高速區(qū)域擴(kuò)大;當(dāng)α>0°時(shí)高速區(qū)域增長緩慢。壓力系數(shù)隨著周向角度的增加而增加。

(5)氣膜孔周向角度對(duì)靶面平均換熱系數(shù)影響較小,對(duì)Nu分布有著顯著影響。-60°≤α≤0°時(shí),即進(jìn)口冷氣與氣膜孔同側(cè),氣膜孔附近高Nu區(qū)較小;周向角度越大,靶面高Nu區(qū)分布越均勻,但數(shù)量級(jí)越低。0°<α≤60°時(shí),即進(jìn)口冷氣與氣膜孔異側(cè),隨著周向角度的增加,氣膜孔對(duì)冷氣沖刷區(qū)的影響越來越小,但氣膜孔附近高Nu區(qū)較大。

[1] GLEZER B, MOON H K, O’CONNELL T. A novel technique for the internal blade cooling [C]∥Proceedings of ASME Turbo Expo 1996. New York, USA: ASME, 1996: V004T09A015.

[2] KREITH F, MARGOLIS D. Heat transfer and friction in turbulent vortex flow [J]. Applied Scientific Research: Section A, 1959, 8(1): 457-473.

[3] DU C, LI L, WU X, et al. Effect of jet nozzle geometry on flow and heat transfer performance of vortex cooling for gas turbine blade leading edge [J]. Applied Thermal Engineering, 2015, 93: 1020-1032.

[4] 杜長河, 范小軍, 李亮, 等. 噴嘴長寬比和雷諾數(shù)對(duì)旋流冷卻流動(dòng)與傳熱特性的影響 [J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 49(12): 124-129. DU Changhe, FAN Xiaojun, LI Liang, et al. Effects of jet nozzle aspect ratio and Reynolds number on flow and heat transfer characteristics of vortex cooling [J]. Journal of Xi’an Jiaotong University, 2015, 49(12): 124-129.

[5] HAY N, WEST P D. Heat transfer in free swirling flow in a pipe [J]. Journal of Heat Transfer, 1975, 97(3): 411-416.

[6] HEDLUND C R, LIFRANI P M, GLEZER B, et al. Heat transfer in a swirl chamber at different temperature ratios and Reynolds numbers [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1999, 42(22): 4081-4091.

[7] LIU Z, LI J, FENG Z. Numerical study on the effect of jet slot height on flow and heat transfer of swirl cooling in leading edge model for gas turbine blade [C]∥ASME Turbo Expo 2013: Turbine Technical Conference and Exposition. New York, USA: ASME, 2013: V03AT12A029.

[8] AL-ZURFI N, TURAN A, NASSER A. Numerical investigation of rotation effects on anti-vortex film-cooling holes [J]. Flow, Turbulence and Combustion, 2016, 96(1): 133-162.

[9] GRAF L, KLEISER L. Flow-field analysis of anti-kidney vortex film cooling [J]. Journal of Thermal Science, 2012, 21(1): 66-76.

[10]SHEN Zhongyang, QU Huancheng, ZHANG Di, et al. Effect of bleed hole on flow and heat transfer performance of U-shaped channel with dimple structure [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2013, 66: 10-22.

(編輯 趙煒 苗凌)

Effect of Bleed Hole Location on Vortex Cooling Flow and Heat Transfer Performance

FAN Xiaojun,DU Changhe,LI Liang,LI Sen

(Institute of Turbomachinery, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

A vortex chamber model with bleed holes was established to study the effect of bleed hole location on vortex cooling characteristics. The hydrodynamics software ANSYS CFX was used to investigate the difference between vortex cooling systems with and without bleed holes. Detailed analysis was conducted to explore the influences of bleed hole’s axis-width ratio and circumferential angle on vortex cooling aerodynamic and thermal behaviors. Results revealed that bleed holes could produce strong disturbance on the cooling air rotational flow, thus increasing the upstream velocity of bleed holes while decreasing the downstream velocity. Bleed holes drive the mainstream deflecting towards the slanting downward direction, enhancing the overall heat transfer intensity and inducing more uniform pressure distribution. When the axis-width ratio increases from 0.3 to 0.7, bleed holes have slight effects on the overall flow and heat transfer performance. However, when the axis-width ratio reaches 0.9, the small mainstream vortexes disappear and the region with highNu(Nusselt number) becomes more uniform. When the circumferential angle is smaller than 0°, an increase in circumferential angle leads to an obvious increase in high speed region of upstream bleed holes. However, this increasing tendency turns weaker when the circumferential angle is larger than 0°. As circumferential angle increases, the circumferential average pressure ratio and high-Nuregion near the bleed holes both increase, and the distribution of high-Nuregion becomes more uniform.

vortex cooling; bleed hole; axis-width ratio; circumferential angle

2015-12-19。 作者簡介:范小軍(1992—),男,碩士生;李亮(通信作者),男,副教授,博士生導(dǎo)師。

時(shí)間:2016-04-21

10.7652/xjtuxb201607006

TK474.7

A

0253-987X(2016)07-0032-07

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20160421.1042.002.html