非定常尾跡對(duì)復(fù)合角度動(dòng)葉氣膜冷卻效率的數(shù)值研究

張宏洋，修棟波，汪山入，張 玲

(1．國(guó)電科技環(huán)保集團(tuán)股份有限公司 采購(gòu)與物資管理部，北京 100039；2．華能邯峰電廠，河北 邯鄲 056001；3．沈陽熱力工程設(shè)計(jì)研究院，遼寧 沈陽 110014；4．東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林132012)

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非定常尾跡對(duì)復(fù)合角度動(dòng)葉氣膜冷卻效率的數(shù)值研究

張宏洋1，修棟波2，汪山入3，張 玲4

(1．國(guó)電科技環(huán)保集團(tuán)股份有限公司 采購(gòu)與物資管理部，北京 100039；2．華能邯峰電廠，河北 邯鄲 056001；3．沈陽熱力工程設(shè)計(jì)研究院，遼寧 沈陽 110014；4．東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林132012)

采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型及SIMPLE算法，通過d=2 mm、4 mm和6 mm的圓柱來模擬燃?xì)廨啓C(jī)靜葉產(chǎn)生的尾跡，研究了不同時(shí)刻三種尾跡寬度對(duì)下游復(fù)合角度動(dòng)葉冷卻效率的影響。結(jié)果表明：不同尾跡寬度對(duì)下游動(dòng)葉壓力面和吸力面渦量呈現(xiàn)周期性的影響，而對(duì)壓力面的影響更顯著；一個(gè)周期內(nèi)壓力面冷卻效率在3/4T時(shí)刻最小，而吸力面冷卻效率沒有明顯變化；隨著復(fù)合角度的增大，壓力面冷卻效果增強(qiáng)，吸力面冷卻效果減弱；尾跡寬度對(duì)吸力面冷卻效率影響很小，而對(duì)壓力面影響較大，尾跡寬度為4 mm時(shí)的冷卻效率要高于2 mm和6 mm的冷卻效率。

非定常尾跡；尾跡寬度；冷卻效率；動(dòng)葉；復(fù)合角度

燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率和功率隨著渦輪進(jìn)口溫度的提高而提高，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)所運(yùn)行的溫度超過其當(dāng)前材料的溫度，為了保持材料壽命和高溫運(yùn)行，必須采用有效的氣膜冷卻技術(shù)[1-2]。大量實(shí)驗(yàn)表明上游靜葉產(chǎn)生的尾跡會(huì)對(duì)下游動(dòng)葉傳熱和冷卻效率產(chǎn)生非常重要的影響。Montornoli等[3]發(fā)現(xiàn)非定常尾跡對(duì)冷卻射流的影響很大，尾跡使得前緣附近的冷卻氣體流場(chǎng)重新分布。Shantanu等[4]研究了不同射流比產(chǎn)生的非定常尾跡以及尾跡對(duì)下游動(dòng)葉氣膜冷卻效果的影響，結(jié)果表明非定常尾跡使壓力面和吸力面的氣膜冷卻效率下降。袁鋒等[5]對(duì)帶有射流孔的渦輪葉片進(jìn)行三維數(shù)值模擬，研究了旋轉(zhuǎn)、吹風(fēng)比等條件對(duì)葉片表面冷卻效率的影響。劉波等[6]對(duì)尾跡所產(chǎn)生的非定常渦系進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了流場(chǎng)中壓力瞬態(tài)圖，捕捉了分離渦產(chǎn)生、脫落的過程。楊琳等[7]運(yùn)用數(shù)值模擬方法分析了非定常尾跡負(fù)荷分布對(duì)葉型邊界層的影響，研究發(fā)現(xiàn)，較低雷諾數(shù)有利于控制邊界層的發(fā)展，同時(shí)上游尾跡能夠有效地抑制尾緣邊界層的分離。周莉[8-10]研究了非定常尾跡寬度對(duì)氣膜冷卻效果的影響，結(jié)果表明：非定常尾跡使冷氣流沿葉展覆蓋很廣，從而使冷卻效率提高，不同尾跡寬度對(duì)壓力面的影響比吸力面大。王梅麗[11]模擬了不同軸向間距與不同轉(zhuǎn)速下靜葉尾跡的非定常特性，通過頻譜分析得出了尾跡渦的脫落頻率，并分析了不同工況下非定常尾跡對(duì)下游動(dòng)葉周圍流場(chǎng)及傳熱的影響。郭婷婷等[12]研究了非定常尾跡對(duì)動(dòng)葉旋轉(zhuǎn)葉柵的影響，給出不同截面渦量隨時(shí)間發(fā)展、變化的過程，并分析了尾跡對(duì)多種渦系結(jié)構(gòu)的影響。宋東輝等[14]運(yùn)用數(shù)值模擬的方法分析了傾斜入射的橫向紊動(dòng)射流溫度場(chǎng)。李少華[15]研究了非定常尾跡對(duì)葉柵溫度場(chǎng)的影響，結(jié)果表明：動(dòng)葉柵溫度隨著動(dòng)葉轉(zhuǎn)速的增加而增加，而溫度隨葉片高度的變化可以忽略不計(jì)。蔣雪輝等[15]研究了非定常尾跡對(duì)動(dòng)葉氣膜冷卻效率的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)尾跡會(huì)使冷卻氣流的流向發(fā)生很大的改變，并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了非定常尾跡的寬度和頻率對(duì)氣膜冷卻效率的影響。

以往文獻(xiàn)都是針對(duì)尾跡對(duì)單一角度射流的影響進(jìn)行研究，國(guó)內(nèi)外無論是實(shí)驗(yàn)還是數(shù)值模擬，針對(duì)尾跡寬度對(duì)復(fù)合角度葉片的研究還很少。本文采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程紊流模型，利用圓柱產(chǎn)生尾跡，通過改變圓柱直徑來模擬尾跡寬度，研究動(dòng)葉復(fù)合角度為α=30°、β=45°，α=45°、β=45，α=60°、β=45°三種情況下尾跡寬度對(duì)動(dòng)葉氣膜冷卻效率的影響。

1 物理模型和數(shù)值計(jì)算方法

1.1 物理模型及網(wǎng)格劃分

圖1 葉片物理模型

本文計(jì)算區(qū)域包括圓柱和動(dòng)葉柵兩個(gè)部分。動(dòng)葉前放置直徑d=2 mm、4 mm和6 mm圓柱來模擬靜葉，使其產(chǎn)生不同的尾跡寬度，動(dòng)葉射流孔采用α=30°、β=45°，α=45°、β=45°，α=60°、β=45°三種角度。參照文獻(xiàn)[15]平面葉柵實(shí)驗(yàn)建立物理模型，如圖1所示。圓柱離下游動(dòng)葉滯止點(diǎn)的距離為40%Cax(Cax是動(dòng)葉軸向弦長(zhǎng))，動(dòng)葉片表面開有5排冷卻孔，其中孔排1和孔排2為前緣孔，孔排3和孔排4為壓力面孔，孔排5為吸力面孔，動(dòng)葉射流孔幾何參數(shù)如表1所示，打孔位置參考試驗(yàn)文獻(xiàn)[15]中的葉片孔排布置。

孔排12345S/C0.030.050.220.500.22L/d44444S1/d55555α(°)30,45,6030,45,6030,45,6030,45,6030,45,60β(°)4545454545

注：S/C—孔中心到前緣駐點(diǎn)弧長(zhǎng)與弦長(zhǎng)之比；L/d—射流孔孔長(zhǎng)與孔徑比；S1/d—孔沿葉高方向的間距與孔徑之比；α—孔的出氣方向與葉片表面的夾角，即側(cè)向傾角；β—孔的出氣方向與徑向的夾角，即展向傾角。

本文使用了周期性邊界條件，動(dòng)靜葉交界面采用滑移網(wǎng)格技術(shù)。模型兩個(gè)曲面把葉柵通道分割成三個(gè)獨(dú)立的部分(射流圓柱體區(qū)域、近葉片區(qū)域、遠(yuǎn)葉片區(qū)域)然后對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并且對(duì)葉片型面和氣膜孔的周圍區(qū)域進(jìn)行局部加密。

1.2 數(shù)值計(jì)算方法和邊界條件

本文利用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)計(jì)算，壓力和速度的耦合采用SIMPLE算法。設(shè)置周期性邊界條件，射流入口為速度邊界條件，出口為壓力邊界條件。近壁面區(qū)采用加強(qiáng)壁面函數(shù)法，主流入口溫度為373K，射流入口溫度為293K，圓柱沿Y方向移動(dòng)，速度10m/s。定義氣膜冷卻效率η=(taw-t)/(tj-t)，式中：t代表主流的入口溫度，tj代表射流的入口溫度，taw為動(dòng)葉片表面的壁溫。壁面設(shè)定為絕熱壁面，流體與壁面間無熱傳導(dǎo)。吹風(fēng)比為M=ρjUj/(ρ∞U∞)，其中Uj、U分別為射流、主流的平均速度，ρj為射流密度，ρ主流密度。

2 結(jié)果的分析和討論

2.1 非定常尾跡渦量分析

圖3為d=6mm，α=45°、 β=45°，M=1時(shí)，一個(gè)周期內(nèi)不同時(shí)刻的渦量圖，圖中顯示了圓柱尾跡渦的發(fā)展脫落和向下游運(yùn)動(dòng)的情況，以及非定常尾跡對(duì)下游動(dòng)葉流場(chǎng)的影響。圖3(a)是T=0時(shí)刻的渦量等值線圖，此時(shí)形成的旋渦正好作用于動(dòng)葉前緣，對(duì)吸力面和壓力面孔的射流均有較大影響，而壓力面所受影響更加顯著。隨著動(dòng)葉的旋轉(zhuǎn)，其與圓柱距離逐漸增大，圓柱尾跡渦對(duì)其影響在逐漸減弱，圖3(b)顯示了尾跡渦脫落到動(dòng)葉壓力面時(shí)，對(duì)壓力面兩排孔射流造成的擾動(dòng)。隨著動(dòng)葉與圓柱之間距離的進(jìn)一步增加，尾跡旋渦也逐漸變大，到3/4T時(shí)動(dòng)葉尾部渦量達(dá)到最大。

圖3 d=6 mm時(shí)的渦量分析

尾跡渦對(duì)動(dòng)葉壓力面的影響顯然要高于吸力面。這是由于非定常尾流與射流的相互摻混以及圓柱尾跡脫落使壓力面射流出口形成低速區(qū)，迫使射流緊貼壁面，使氣膜冷卻效率增大。在3/4T時(shí)刻，上游尾跡渦對(duì)下游渦量影響最小，冷卻效率最低。

2.2 動(dòng)葉氣膜冷卻效率的分析

2.2.1 動(dòng)葉冷卻效率的周期性分析

圖4(a)為d=4 mm，M=1，α=60°、β=45°一個(gè)周期內(nèi)壓力面冷卻效率圖。由圖顯示：孔排3前段冷卻效率由于受前緣射流孔的影響使冷卻效率先短暫升高而后降低，而孔后的射流在主流壓迫下向下游流動(dòng)，使得孔排3孔后的冷卻效率極高，兩排冷卻孔后的冷卻效率先是驟降，然后隨X的增大再緩慢升高，這是因?yàn)樵诶鋮s孔后形成擾流區(qū)，局部擾流導(dǎo)致射流與主流的摻混明顯增強(qiáng)，使冷卻效率增大?？着?后沒有形成擾流區(qū)，使冷卻效率隨著X的增加逐漸下降，另一方面孔排4射流有一部分流向壓力面上游形成低速回流區(qū)，一部分流向壓力面下游，因此孔排4后的冷卻效率值比孔排3后的冷卻效率值低。

圖4 d=4 mm，M=1一個(gè)周期內(nèi)葉片表面冷卻效率圖

孔排3由于受前緣孔的影響，其冷卻效率在1/2T時(shí)刻達(dá)到最大值0.5，壓力面效率在射流孔后達(dá)到峰值。對(duì)于0時(shí)刻而言，孔排3的射流在主流壓迫下向下游流動(dòng)，使得孔排3孔后冷卻效率極高，當(dāng)X=18 mm時(shí)效率達(dá)到0.8，然后開始驟降達(dá)到0，并且隨X的增大而降低，最后效率趨于0.1。1/4時(shí)刻時(shí)，冷卻效率峰值達(dá)到0.55和0.6，1/2時(shí)刻時(shí)，冷卻效率峰值達(dá)到0.65和0.5，3/4時(shí)刻時(shí)，冷卻效率峰值達(dá)到0.65和0.3。一個(gè)周期內(nèi)，從0T到3/4T時(shí)的冷卻效逐漸降低，且孔排4降低幅度比孔排3大。

圖4(b)為d=4 mm，M=1，α=60°、β=45°一個(gè)周期內(nèi)吸力面冷卻效率圖，由圖可以看出冷卻效率在吸力面射流孔后最高，隨著X的增加而逐漸降低，主要是這個(gè)區(qū)域處于邊界層由層流向湍流轉(zhuǎn)換的緣故，造成此處壁面?zhèn)鳠崆闆r異常。由于射流的重新附著，X=20 mm往后的冷卻效率下降變緩。吸力面一個(gè)周期內(nèi)四個(gè)不同時(shí)刻的冷卻效率圖幾乎重合，說明周期性尾跡對(duì)吸力面冷卻效率的影響非常小。當(dāng)0時(shí)刻時(shí)，冷卻效率峰值達(dá)到0.6，當(dāng)1/2到3/4時(shí)刻時(shí)，冷卻效率峰值相同為0.9，因?yàn)槭苌嫌畏嵌ǔ７€(wěn)流的影響較小，冷氣流能更好的貼壁，使冷卻效率升高。

2.2.2 尾跡對(duì)復(fù)合角度動(dòng)葉冷卻效率影響的分析

圖5 d=6 mm，M=1，葉片不同復(fù)合角度冷卻效率圖

圖5(a)為d=6 mm，吹風(fēng)比為M=1，α=30°、β=45°，α=45°、β=45°，α=60°、β=45°三種不同角度時(shí)，非定常尾跡輸運(yùn)到動(dòng)葉壓力面1/4時(shí)刻冷卻效率分布圖。圖中可以看出，復(fù)合角度為α=30°、β=45°時(shí)，前緣射流孔的冷氣流覆蓋在壁面表面，很快被高溫主流加熱，所以在X=0到X=20 m之間冷卻效率先小幅度升高，達(dá)到0.42后驟降?？着?后的射流在主流壓迫下向下游流動(dòng)，使得其孔排3后冷卻效率極高，當(dāng)X=20 mm時(shí)效率達(dá)到0.6，然后驟降到0.05，接著又隨X的增大而緩慢升高，當(dāng)X=52 mm時(shí)效率達(dá)到0.75。復(fù)合角度為α=45°、β=45°時(shí)，冷卻效率峰值達(dá)到0.75和0.65，當(dāng)復(fù)合角度為α=60°、β=45°時(shí)，冷卻效率峰值可達(dá)0.85和0.7?？梢?，隨著復(fù)合角度的增大，冷卻效率在增加，這是因?yàn)榫嚯x壁面較近的區(qū)域內(nèi)，隨著角度的增大射流受主流的影響減弱，射流速度變化不再那么劇烈，而由圖3可知壓力面受尾跡影響較大，所以能使冷卻氣流具有更好的貼壁性。

圖5(b)為吸力面冷卻效率圖。對(duì)于α=30°、β=45°而言，冷卻效率在孔后達(dá)到0.9，然后隨著X的增加而減小，X=70 mm達(dá)到0，孔排5前的冷卻效率幾乎為零，這是因?yàn)樯淞鞯馁N壁性太差，導(dǎo)致氣膜沒有覆蓋到壁面上。而在孔排5后冷卻效率隨著X的增加而逐漸降低，由于這個(gè)區(qū)域處于邊界層的層流向湍流轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)捩區(qū)，不穩(wěn)定尾流使得冷卻射流結(jié)構(gòu)破壞并降低了氣膜覆蓋范圍。當(dāng)射流孔為α=45°、β=45°時(shí)，冷卻效率峰值達(dá)到0.75，α=60°、β=45°時(shí)，峰值為0.5。三種不同復(fù)合角度可以看出，對(duì)于吸力面而言，α=30°、β=45°冷卻效果最好。主要原因是隨著入射角度的增大，距離壁面較近的區(qū)域內(nèi)，射流沿X方向的分速度在減小，使射流具有的水平方向動(dòng)量降低，射流逐漸脫離壁面，氣膜不能很好地覆蓋在葉片表面，使氣膜覆蓋率降低，冷卻效果變差。

2.2.3 不同尾跡寬度對(duì)動(dòng)葉氣膜冷卻效率影響的分析

圖6 M=1.0時(shí)不同尾跡寬度對(duì)動(dòng)葉冷卻效率分布圖

圖6(a)為M=1.0，α=45°、β=45°尾跡寬度分別為2 mm、4 mm、6 mm時(shí)，非定常尾跡輸運(yùn)到壓力面1/4時(shí)刻冷卻效率圖。從圖可以看出，隨著尾跡寬度的增大，孔排3在尾跡寬度為6 mm時(shí)氣膜孔處的效率最高。這是因?yàn)閴毫γ嫔嫌问芪槽E的影響較大，射流在主流壓迫下，更充分地向下游流動(dòng)?？着?在尾跡寬度為4 mm和2 mm時(shí)氣膜孔處的效率要好于6 mm時(shí)，這是因?yàn)閴毫γ嫘纬傻退賲^(qū)并逐漸擴(kuò)大，同時(shí)尾跡打在壁面上，破壞了壁面氣膜層的覆蓋程度，從而使冷卻效率減弱。而壓力面在復(fù)合角度和尾跡寬度的雙重影響下，使尾跡寬度為4 mm冷卻效率要高于2 mm和6 mm的冷卻效率。

圖6(b)為非定常尾跡輸運(yùn)到吸力面1/4時(shí)刻冷卻效率圖，由圖可以看出冷卻效率曲線大體相同，表明尾跡寬度對(duì)吸力面冷卻效率的影響不大。

2.2.4 不同尾跡寬度對(duì)動(dòng)葉全表面冷卻效率影響的分析

圖7 復(fù)合角度為α=45°、 β=45°葉片全表面效率分布圖

圖7顯示了吹風(fēng)比為M=1，α=45°、β=45°，尾跡寬度分別為2 mm、4 mm和6 mm時(shí)，非定常尾跡輸運(yùn)到動(dòng)葉全表面的冷卻效率分布圖。尾跡寬度為2 mm時(shí)整個(gè)壓力面氣膜覆蓋范圍較小。在復(fù)合角度的作用下，射流孔流出的冷氣向孔前方流動(dòng)，另一方面孔排4射流有一部分流向壓力面上游，一部分流向壓力面下游，所以使孔排2和孔排3前冷卻效率要高于孔排4孔前冷卻效率，50%葉高處的冷卻效率要明顯好于葉頂，效率為0.3；孔排2周圍冷卻效率為0.2；對(duì)于孔排3，此時(shí)受圓柱尾跡影響較小，孔周圍冷卻效率較大，為0.9。吸力面在孔前方冷卻效率達(dá)到0.7后，冷氣流向下游流動(dòng)，冷卻效率最小降到0.05，由于冷氣流與主流慘混，冷氣流被帶到下游更廣的區(qū)域，導(dǎo)致冷卻氣膜沿全表面覆蓋范圍更廣，使這個(gè)區(qū)域的冷卻效果更好。隨著尾跡寬度的增大，當(dāng)d=4 mm時(shí)，射流孔周圍的冷卻效率可達(dá)0.4，冷氣流在壓力面整個(gè)表面冷卻效率達(dá)到0.2，而在吸力面孔下游覆蓋增強(qiáng)，氣膜孔周圍冷卻效率增加，葉片表面冷卻效率要好于尾跡寬度2 mm。隨著尾跡寬度繼續(xù)增加，當(dāng)d=6 mm時(shí)，射流孔周圍冷卻效率基本不變，對(duì)于壓力面而言，冷氣流在壓力面整個(gè)范圍內(nèi)覆蓋更廣，射流孔周圍冷卻效率達(dá)到0.6，整個(gè)表面冷卻效率達(dá)到0.2，局部地方可達(dá)0.3；而冷氣流在吸力面孔下游覆蓋增強(qiáng)，氣膜孔周圍的冷卻效率增加。因此，不同尾跡寬度下動(dòng)葉全表面冷卻效率有很大差異?？傮w來看，由于射流孔復(fù)合角度以及射流在主流壓迫雙重作用下，使壓力面和吸力面冷卻氣流向孔前方流動(dòng)，冷卻效果比孔后方好很多。隨著尾跡寬度的增大，當(dāng)尾跡輸運(yùn)到動(dòng)葉氣膜孔附近時(shí)，靠近氣膜孔葉片區(qū)域冷卻效果明顯增強(qiáng)，說明在這個(gè)區(qū)域更多的冷氣與主流發(fā)生慘混，使形成冷卻氣膜層的冷氣量增加，從而使冷卻效果變好。

3 結(jié) 論

本文通過模擬尾跡寬度對(duì)復(fù)合角度葉片氣膜冷卻效率的影響，得到以下結(jié)論：

(1)尾跡渦的脫落對(duì)動(dòng)葉壓力面影響較大，吸力面影響較小。一個(gè)周期內(nèi)3/4時(shí)刻時(shí)，上游尾跡渦對(duì)下游渦量影響最大，使壓力面冷卻效率降到最低。

(2)隨著復(fù)合角度的增大，壓力面冷卻效率增加，α=60°、β=45°冷卻效率最好，而吸力面效率呈減弱趨勢(shì)，α=30°、β=45°冷卻效果最好。

(3)尾跡寬度為4 mm時(shí)的冷卻效率要高于2 mm和6 mm的冷卻效率，整個(gè)表面覆蓋范圍增強(qiáng)，壓力面形成低速區(qū)使射流孔周圍效率減小，但尾跡寬度對(duì)吸力面冷卻效率無顯著影響。

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Numerical Simulation on the Effects of Unsteady Wakes on Film Cooling at Compound angle Blade

Zhang Hongyang1，Xiu Dongbo2，Wang Shanru3，Zhang Ling4

(1.Department of Purchasing and Matericals Management，GE Technology& Environment Group Corporation Limited，Beijing 100039;2.Huaneng Hanfeng Power Plant，Handan Hebei 056001;3.Shenyang Thermal Engineering Design and Research Institute，Shenyang Liaoning 110014;4.Energy Resources and Power Engineering College，Northeast Electric Power University，Jilin Jilin 132012)

The influence of three different unsteady wake width on the blade film cooling efficiency is discussed in different time.Standard k-ε turblence model and SIMPLE algorithm are applied and that static blades produce wakes is simulated through altering the cylinder diameter d=2mm、d=4mm and d=6mm respectively.Results show that blade pressure side and suction side vorticity periodic impact under different width of the unsteady wakes.while make the suction surface influence more significant.Pressure side of one cycle cooling efficiency in 3/4 time is minimal.while there is a little influence on the suction surface，with the increase of angle degree，film cooling efficiency of the pressure surface is increase .The suction surface’s is declining .Along with the enlargement of the wake width，Wake width have great influence on the pressure surface cooling efficiency，the cooling efficiency of Wake width (4 mm) is higher than that 2 mm and 6 mm，while there is a little influence on the suction surface.

Unsteady wakes;Wakes width;Cooling effectiveness;Rotor blade ;Compound angle

2017-03-12

張宏洋(1978- ) ，男，碩士，工程師，主要研究方向: 新能源發(fā)電技術(shù).

1005-2992(2017)03-0060-06

TK124

A

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