周向噴嘴數(shù)對(duì)旋流冷卻流動(dòng)傳熱特性的影響

吳凡, 杜長河, 王杰楓, 范小軍, 李亮

(西安交通大學(xué)葉輪機(jī)械研究所, 710049, 西安)

燃?xì)廨啓C(jī)具有占地面積小、功率密度大、啟動(dòng)速度快等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于發(fā)電行業(yè)、航空動(dòng)力、艦船推動(dòng)、燃?xì)廨斶\(yùn)、分布式能源等領(lǐng)域[1]。目前,提高燃?xì)馔钙竭M(jìn)口溫度是提高燃?xì)廨啓C(jī)效率的有效措施。由于燃?xì)馔钙竭M(jìn)口溫度的不斷提高,燃?xì)馔钙饺~片材料已經(jīng)不能承受,因此必須對(duì)葉片進(jìn)行冷卻。葉片前緣區(qū)域受到高溫燃?xì)獾闹苯記_刷,換熱強(qiáng)度比較高,所以對(duì)葉片前緣冷卻的要求更加嚴(yán)格。旋流冷卻作為一種新型的葉片前緣冷卻方式,具有流動(dòng)阻力小、冷卻能力強(qiáng)和傳熱分布均勻等優(yōu)點(diǎn)[2],已成為葉片前緣冷卻的重要研究方向。

Kreith等首次研究了圓管內(nèi)旋轉(zhuǎn)流動(dòng)的摩擦阻力和傳熱特性,發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生較大徑向速度梯度,并且減薄熱邊界層,因而冷氣與壁面的傳熱強(qiáng)度明顯提高[3]。Glezer等首次將旋轉(zhuǎn)流動(dòng)引入到燃?xì)馔钙饺~片冷卻應(yīng)用中,并提出了葉片前緣的旋流冷卻結(jié)構(gòu)[4]。Ligrani等通過實(shí)驗(yàn)指出旋流冷卻的高傳熱特性和Gortler渦對(duì)密切相連,隨著旋流腔內(nèi)冷氣雷諾數(shù)的變大,Gortler渦對(duì)不穩(wěn)定性升高、數(shù)量有所增加,所以傳熱強(qiáng)度明顯提高[5]。Khalatov等通過實(shí)驗(yàn)觀察了軸向不同噴嘴數(shù)和旋流腔出口結(jié)構(gòu)下旋流腔的傳熱特性、流動(dòng)情況和壓力損失,并得出旋流腔進(jìn)出口結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)旋流冷卻有所影響[6]。杜長河等通過數(shù)值研究提出了旋流冷卻的徑向?qū)α髟?系統(tǒng)地研究了冷氣雷諾數(shù)、來流溫比等氣動(dòng)參數(shù)和噴嘴長寬比、高度、軸向數(shù)目以及冷氣噴射角度對(duì)旋流冷卻特性的影響[7-9]。Mousavi等通過改變周向噴嘴數(shù)目分別對(duì)簡單圓管旋流冷卻和雙旋流冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了的數(shù)值模擬研究[10]。

目前,針對(duì)旋流冷卻中進(jìn)口噴嘴的研究大多集中于噴嘴長寬比、高度、面積大小以及軸向布置不同噴嘴數(shù)目等方面,而對(duì)于在旋流腔周向布置不同的噴嘴數(shù)的對(duì)比分析鮮有發(fā)表。有研究表明,周向噴嘴數(shù)對(duì)旋流冷卻流動(dòng)和傳熱特性會(huì)產(chǎn)生顯著的影響[10],但該研究中數(shù)值計(jì)算的進(jìn)口邊界條件設(shè)置不合理,并沒有深入地探究周向噴嘴數(shù)對(duì)旋流冷卻流動(dòng)和傳熱的影響機(jī)理。針對(duì)上述問題,本文以Ling等實(shí)驗(yàn)所用的葉片前緣冷卻結(jié)構(gòu)[11]為基礎(chǔ),對(duì)葉片前緣的旋流冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化。在相同的質(zhì)量流量和噴嘴長寬比的條件下,利用數(shù)值計(jì)算方法研究了在旋流腔周向布置不同噴嘴數(shù)的基本機(jī)理,并深入分析了流動(dòng)和傳熱特性,旨在說明在周向布置多個(gè)噴嘴的冷卻結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn),為優(yōu)化葉片前緣冷卻提供新的思路。

1 計(jì)算模型和數(shù)值方法

圖1給出在旋流腔的平面模型示意圖。圖1中旋流腔長度L為525 mm,旋流腔直徑Dh為70 mm,噴嘴進(jìn)口2距葉頂距離f為245 mm,進(jìn)、出口高h(yuǎn)為100 mm,出口長c為35 mm,出口寬e為9.38 mm。在出口總質(zhì)量流量和噴嘴長寬比不變的條件下,本文通過改變旋流腔周向噴嘴數(shù)n、進(jìn)口長b、進(jìn)口寬d和噴嘴夾角α,分兩種情形對(duì)旋流冷卻的流動(dòng)和傳熱特性進(jìn)行了對(duì)比分析。保持噴嘴的幾何尺寸不變時(shí),噴嘴的各項(xiàng)幾何參數(shù)如表1所示。保持噴嘴進(jìn)口總面積不變時(shí),噴嘴的各項(xiàng)幾何參數(shù)如表2所示。圖2給出了周向噴嘴數(shù)n=1,4時(shí)的三維模型圖。當(dāng)保持噴嘴幾何尺寸不變時(shí),在旋流腔周向布置4個(gè)噴嘴,當(dāng)保持噴嘴進(jìn)口總面積不變時(shí),改變n同時(shí)保證了每個(gè)噴嘴的幾何尺寸一致。

圖1 旋流腔幾何模型

nb/mmd/mmα/(°)1354.6902354.691803354.691204354.69905354.6972

(a)n=1

(c)保持噴嘴進(jìn)口總面積不變,n=4圖2 n=1,4時(shí)的三維模型

圖3給出了保持噴嘴幾何不變時(shí)周向噴嘴數(shù)n=4的網(wǎng)格圖。本文所有模型的計(jì)算網(wǎng)格都采用ICEM軟件進(jìn)行六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分,主體網(wǎng)格采用H型網(wǎng)格劃分,在葉根和葉頂處采用碟型網(wǎng)格劃分,在噴嘴與旋流腔相切處采用Y型網(wǎng)格劃分。

為了提高網(wǎng)格質(zhì)量,對(duì)近壁面處網(wǎng)格進(jìn)行加密,保證y+在1附近。采用ANSYS CFX軟件對(duì)三維穩(wěn)態(tài)RANS方程進(jìn)行求解,設(shè)置求解精度為二階,冷卻工質(zhì)選用理想氣體,采用多重網(wǎng)格收斂技術(shù)和時(shí)間推進(jìn)法加快收斂速度。文獻(xiàn)[12]指出,對(duì)于計(jì)算圓管內(nèi)旋流冷卻問題,標(biāo)準(zhǔn)k-ω湍流模型具有最佳的計(jì)算精度,因此本文采用標(biāo)準(zhǔn)k-ω湍流模型進(jìn)行計(jì)算。在CFX中設(shè)置邊界條件如下:冷氣進(jìn)口總溫為350 K,湍流強(qiáng)度為5%,并給定進(jìn)口質(zhì)量流量,保證出口總質(zhì)量流量相同,出口平均靜壓為0.11 MPa,傳熱靶面的恒定溫度為500 K,其他壁面均為絕熱,所有壁面都保持速度無滑移。

表2 保持噴嘴進(jìn)口總面積不變時(shí)的噴嘴幾何參數(shù)

圖3 保持噴嘴幾何尺寸不變、n=4時(shí)的網(wǎng)格

定義進(jìn)口雷諾數(shù)

Rej=ρVjDj/μ

(1)

式中:ρ為冷氣密度;Vj冷氣進(jìn)口噴射速度;μ為動(dòng)力黏性系數(shù);Dj為噴嘴進(jìn)口水力直徑。

利用Nu來表示換熱強(qiáng)度,即

Nu=qwDh/(Tin-Tw)λ

(2)

式中:qw為靶面熱流密度;Tin為進(jìn)口總溫;Tw為旋流腔靶面溫度;λ為導(dǎo)熱系數(shù);Dh為旋流腔橫截面水力直徑。

根據(jù)無量綱靜壓系數(shù)Cps來描述冷氣的靜壓,即

Cps=(P-Pso)/(Ptj-Pso)

(3)

式中:P為冷氣靜壓;Pso為出口靜壓:Ptj為進(jìn)口總壓。

本文選取n=1的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證,選取的網(wǎng)格數(shù)分別為280、360、420和502萬。圖4給出了n=1時(shí)不同網(wǎng)格數(shù)下展向平均Nu沿?zé)o量綱長度的變化曲線,當(dāng)網(wǎng)格數(shù)大于360萬時(shí),計(jì)算結(jié)果對(duì)網(wǎng)格數(shù)不敏感,故選用網(wǎng)格數(shù)為360萬的網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。

圖4 展向平均Nu沿?zé)o量綱長度的變化

2 結(jié)果分析

2.1 流動(dòng)特性的對(duì)比分析

由于冷氣進(jìn)口總面積都相同,在相同的流量情況下,每個(gè)噴嘴進(jìn)口的冷氣速度大致相同。由圖5b可知:隨著n的增多,為保持噴嘴進(jìn)口總面積不變,每個(gè)噴嘴進(jìn)口截面的寬度d逐漸減小;冷氣速度梯度沿半徑方向逐漸變大,冷氣沿周向多個(gè)噴嘴切向進(jìn)入旋流腔,以相同速度沖刷壁面邊界層,阻礙壁面的邊界層發(fā)展,冷氣速度沿周向衰減變慢,冷氣在旋流腔壁面保持高速流動(dòng)。

(a)保持噴嘴幾何尺寸不變

(b)保持噴嘴進(jìn)口總面積不變圖時(shí)進(jìn)口1的XZ截面流線和速度云圖

圖6給出了保持噴嘴進(jìn)口總面積不變時(shí)旋流腔三維流線。由圖6可知,冷氣以較高速度切向射入旋流腔中形成旋流,并在腔體內(nèi)旋轉(zhuǎn)向下游流動(dòng),隨著n的增多,流線分布規(guī)律大致相同。從噴嘴進(jìn)口1噴射出來的冷氣流線先徑向向內(nèi)收縮,然后徑向向外擴(kuò)張,而且周向噴嘴數(shù)幾乎不影響噴嘴進(jìn)口2的冷氣流線分布,而當(dāng)周向布置多個(gè)噴嘴時(shí),冷氣流線徑向向內(nèi)收縮更明顯。這是由于冷氣沿周向多個(gè)噴嘴進(jìn)入冷氣腔時(shí),周向相鄰噴嘴噴射出的冷氣會(huì)產(chǎn)生沖擊作用,進(jìn)而造成冷氣間的動(dòng)量損失。此外,噴嘴進(jìn)口2噴射出來的高速氣流和上游冷氣發(fā)生動(dòng)量交換,并且靠近出口位置壓力較低,下游冷氣周向速度增大,導(dǎo)致離心力增大,所以冷氣流線徑向向外擴(kuò)張。當(dāng)周向布置多個(gè)噴嘴時(shí),從噴嘴進(jìn)口1噴射出來的冷氣流線在旋流腔下游沿軸向拉伸距離變短。這說明下游冷氣抗橫流作用增強(qiáng),有利于旋流腔的均勻換熱。

圖6 保持噴嘴進(jìn)口面積不變時(shí)旋流腔三維流線圖

圖7給出了改變n時(shí)XY截面流線和速度云圖。由圖7a可知,隨著n的增多,噴嘴進(jìn)口冷氣速度逐漸減小,冷氣速度分布更均勻,冷氣湍流強(qiáng)度減少。沿軸向下游,當(dāng)n>2時(shí)冷氣渦數(shù)目發(fā)生驟降,當(dāng)n=3時(shí)冷氣渦數(shù)量為6,n=4時(shí)冷氣渦數(shù)量為2,n=5時(shí)冷氣渦數(shù)量降為1,而n=2時(shí)冷氣渦數(shù)量為8,在進(jìn)口1附近冷氣渦直徑有所減小。

(a)保持噴嘴幾何尺寸不變 (b)保持噴嘴進(jìn)口總面積不變圖7 改變周向噴嘴數(shù)n時(shí)XY截面流線和速度云圖

由圖7b可知,當(dāng)n增多時(shí),噴嘴進(jìn)口2和出口之間的冷氣渦結(jié)構(gòu)受到的影響很小,在噴嘴進(jìn)口1附近的渦系結(jié)構(gòu)受到影響較大。在噴嘴進(jìn)口1附近,冷氣渦數(shù)量隨n的增多呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì),并且在n=2時(shí)達(dá)到最大。當(dāng)n=1時(shí)冷氣渦數(shù)量為3,當(dāng)n=2時(shí)冷氣渦數(shù)量為8,當(dāng)n>2時(shí)冷氣渦數(shù)量為5,冷氣渦的尺度則呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì),當(dāng)n=1時(shí)冷氣渦直徑最大,n=2時(shí)冷氣渦直徑最小,當(dāng)n>2時(shí)冷氣渦直徑幾乎不變,但相比于n=2時(shí)有所增加。

(a)保持噴嘴幾何尺寸不變

(b)保持噴嘴進(jìn)口總面積不變圖8 改變n時(shí)靜壓系數(shù)的變化

2.2 傳熱特性的對(duì)比分析

圖9給出了改變周向噴嘴數(shù)n時(shí)靶面Nu云圖分布。由圖9a中可知:隨著n的增多,進(jìn)口冷氣的噴射速度逐漸減小;導(dǎo)致沖刷壁面邊界層作用減弱,熱邊界層變厚,高傳熱區(qū)的換熱強(qiáng)度顯著減小,但靶面的傳熱均勻性隨之變好。此外,由于進(jìn)口噴射速度的減小,下游冷氣受到上游冷氣的軸向沖擊作用增強(qiáng),導(dǎo)致高換熱區(qū)向軸向下游傾斜更明顯。

由圖9b可知,當(dāng)保持噴嘴進(jìn)口總面積都不變時(shí),沿周向布置的每個(gè)進(jìn)口的冷氣速度大致相同,在噴嘴進(jìn)口處的傳熱強(qiáng)度大致相同,隨著n的增多,冷氣沿周向多個(gè)噴嘴高速射入,從不同角度沖刷熱邊界層,在噴嘴處高傳熱區(qū)沿周向衰減變慢,高傳熱區(qū)沿圓周分布更加均勻。因此,隨著n的增多,高傳熱區(qū)面積在n=2時(shí)最大,而當(dāng)n>2時(shí),高傳熱區(qū)面積略有減小。此外,在噴嘴進(jìn)口段附近,靶面的傳熱強(qiáng)度高且更加均勻,從而可以對(duì)實(shí)際葉片前緣高溫滯止區(qū)實(shí)施更為有效的冷卻。

(a)保持噴嘴幾何尺寸不變 (b)保持噴嘴進(jìn)口總面積不變圖9 改變周向噴嘴數(shù)n時(shí)靶面Nu云圖

(a)保持噴嘴幾何尺寸不變

(b)保持噴嘴進(jìn)口總面積不變圖10 改變周向噴嘴數(shù)n時(shí)展向平均Nu沿的變化

表3給出了改變周向噴嘴數(shù)n時(shí)總壓損失系數(shù)和靶面平均Nu。由表3可知,當(dāng)保持噴嘴幾何尺寸不變時(shí),隨著n的增多,總壓損失系數(shù)逐漸減小。由于實(shí)際葉片前緣有氣膜孔的存在,如果總壓損失過大,冷卻氣體將無法從氣膜孔流出,說明較小的總壓損失對(duì)實(shí)際葉片前緣冷卻具有顯著意義。此外,靶面平均Nu隨n的增多逐漸減小,而當(dāng)保持噴嘴進(jìn)口總面積不變時(shí),隨著n的增多,總壓損失系數(shù)逐漸增加,但是增幅不大。對(duì)于靶面平均Nu數(shù),在n=2時(shí)最大,這是由于在n=2時(shí)高傳熱區(qū)面積最大,而當(dāng)噴嘴數(shù)n>2時(shí),靶面平均Nu相差不大。

表3 改變n時(shí)總壓損失系數(shù)和靶面平均Nu

3 結(jié) 論

本文建立了在周向布置多個(gè)噴嘴數(shù)的葉片前緣旋流冷卻模型。在相同質(zhì)量流量和噴嘴長寬比條件下,采用數(shù)值計(jì)算方法研究了兩種情況下改變周向噴嘴數(shù)的旋流冷卻機(jī)理,并對(duì)比分析了流動(dòng)傳熱特性,得到如下主要結(jié)論。

(1)周向噴嘴數(shù)對(duì)旋流冷卻流動(dòng)特性產(chǎn)生顯著影響。保持噴嘴幾何尺寸不變時(shí),隨著周向噴嘴數(shù)n增加,噴嘴進(jìn)口冷氣流速降低,冷氣流速分布更加均勻。冷氣湍流強(qiáng)度降低,冷氣總壓損失逐漸減小,下游冷氣受軸向橫流沖擊影響較大;當(dāng)保持噴嘴進(jìn)口總面積不變時(shí),隨著周向噴嘴數(shù)n增加,噴嘴進(jìn)口冷氣流速大致相同,冷氣在旋流腔壁面保持高速流動(dòng),下游冷氣受軸向橫流沖擊影響較小。由于相鄰進(jìn)口高速冷氣間的沖擊作用,冷氣的總壓損失逐漸增加。

(2)周向噴嘴數(shù)對(duì)旋流冷卻傳熱特性產(chǎn)生顯著影響。保持噴嘴幾何尺寸不變時(shí),隨著周向噴嘴數(shù)n增加,靶面平均傳熱強(qiáng)度逐漸減小,但傳熱均勻性隨之變好。保持噴嘴進(jìn)口總面積不變時(shí),當(dāng)n=2時(shí),靶面平均傳熱強(qiáng)度最高;當(dāng)n>2時(shí),靶面平均傳熱強(qiáng)度幾乎不變,相比于n=2時(shí)略有降低,相比于n=1時(shí)有所增加。此外,在整個(gè)噴嘴進(jìn)口圓周附近,靶面的傳熱強(qiáng)度高且分布更加均勻。

(3)當(dāng)保持噴嘴幾何尺寸不變時(shí),隨著周向噴嘴數(shù)n的增加,靶面平均Nu和總壓損失系數(shù)都逐漸減小;增加周向噴嘴數(shù)在減小冷氣流動(dòng)損失的同時(shí),會(huì)降低冷卻效果;相比于n=1,2時(shí)靶面平均Nu降低16.51%,總壓損失系數(shù)降低了46.29%。保持噴嘴進(jìn)口總面積不變時(shí),隨著周向噴嘴數(shù)n的增加,靶面平均Nu變化較小,總壓損失系數(shù)則逐漸增大;增加周向噴嘴數(shù)對(duì)提高冷卻效果影響較小,同時(shí)會(huì)增大冷氣流動(dòng)損失;相比于n=1,2時(shí)靶面平均Nu提高了3.1%,但總壓損失系數(shù)升高了11.29%。

綜上所述,周向噴嘴數(shù)n=2時(shí),旋流冷卻結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的流動(dòng)和傳熱性能。