尾緣開(kāi)縫透平葉片內(nèi)流動(dòng)傳熱特性研究

高炎,晏鑫,李軍

(西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,710049,西安)

符號(hào)表

I湍流強(qiáng)度U流速k湍動(dòng)能ω湍流耗散率

q熱流量β出口氣流角S葉片表面距離C葉片弦長(zhǎng)

隨著冷卻技術(shù)和材料工業(yè)的發(fā)展,現(xiàn)代燃?xì)馔钙竭M(jìn)口溫度逐年提高,給葉片尾緣等高熱負(fù)荷區(qū)域的設(shè)計(jì)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。圖1給出了典型燃?xì)馔钙饺~片及其橫截面示意圖[1]。為保證機(jī)組的氣動(dòng)效率,葉片尾緣通常設(shè)計(jì)得較薄,因此需采用有效的冷卻措施來(lái)確保尾緣的強(qiáng)度和運(yùn)行壽命。目前,燃?xì)馔钙饺~片尾緣區(qū)域的冷卻主要采用開(kāi)縫結(jié)構(gòu),如圖1b所示,通過(guò)在壓力面去除部分材料,使冷氣在尾緣附近形成保護(hù)氣膜。為了增強(qiáng)尾緣結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度以及傳熱性能,開(kāi)縫內(nèi)部通道內(nèi)會(huì)布置數(shù)排肋柱或腔室結(jié)構(gòu)。

(a)燃?xì)馔钙饺~片 (b)M-M截面圖1 典型燃?xì)馔钙饺~片示意圖[1]

研究者對(duì)尾緣開(kāi)縫結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)和冷卻傳熱性能進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究。Martini等對(duì)不同尾緣開(kāi)縫結(jié)構(gòu)開(kāi)縫壁面上的冷卻換熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值研究,發(fā)現(xiàn)尾緣開(kāi)縫區(qū)域具有非定常流場(chǎng)結(jié)構(gòu)[1];Ames等針對(duì)常規(guī)葉片及尾緣開(kāi)縫葉片表面的流動(dòng)傳熱性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量,研究表明,主流湍流強(qiáng)度的增大會(huì)使葉片表面的對(duì)流換熱系數(shù)增大,尾緣開(kāi)縫結(jié)構(gòu)對(duì)葉片表面的流動(dòng)傳熱性能并未產(chǎn)生顯著影響[2-4];劉存良等對(duì)不同湍流強(qiáng)度下氣膜孔的氣膜冷卻傳熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量[5];朱惠人等實(shí)驗(yàn)研究了唇厚、肋寬、吹風(fēng)比等因素對(duì)尾緣開(kāi)縫結(jié)構(gòu)開(kāi)縫壁面上流動(dòng)傳熱特性的影響[6];Uzol等對(duì)尾緣開(kāi)縫結(jié)構(gòu)葉片的氣動(dòng)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明,當(dāng)冷氣質(zhì)量流量比為0～3%時(shí),會(huì)增大葉片氣動(dòng)損失,但當(dāng)冷氣質(zhì)量流量比增大至5%時(shí),氣動(dòng)損失顯著下降[7];高麗敏等基于實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果建立了尾緣開(kāi)縫葉柵氣動(dòng)損失計(jì)算的理論模型[8];王掩剛等對(duì)葉片尾緣區(qū)域噴氣與主流的摻混及干擾作用進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明冷氣量對(duì)出口氣流角的影響較小,總壓損失隨著冷氣量的增大先增大后減小[9]。

在尾緣開(kāi)縫葉片氣動(dòng)和冷卻傳熱特性的數(shù)值研究方面,Kingery等采用γ-Reθ轉(zhuǎn)捩模型對(duì)葉片表面?zhèn)鳠崽匦赃M(jìn)行了數(shù)值研究[10];周超等對(duì)跨聲速工況下尾緣開(kāi)縫結(jié)構(gòu)處的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值分析,發(fā)現(xiàn)冷氣通過(guò)狹縫后會(huì)先抬升再在激波影響下作用到開(kāi)縫壁面[11];高炎等采用流固共軛傳熱以及非定常求解方法,研究了吹風(fēng)比對(duì)尾緣結(jié)構(gòu)的溫度分布的影響以及尾緣區(qū)域的非定常流動(dòng)現(xiàn)象[12-13]。

目前針對(duì)尾緣開(kāi)縫結(jié)構(gòu)的研究仍然以實(shí)驗(yàn)為主,對(duì)于流場(chǎng)細(xì)節(jié)仍缺乏了解,因此本文基于Ames等的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[2],采用帶轉(zhuǎn)捩的SSTk-ω湍流模型,研究了尾緣開(kāi)縫結(jié)構(gòu)對(duì)葉片流動(dòng)傳熱特性的影響,并與常規(guī)葉片流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比,分析了冷氣量對(duì)葉片表面及開(kāi)縫壁面區(qū)域流動(dòng)傳熱特性的影響規(guī)律。

1 計(jì)算模型和數(shù)值方法

圖2和圖3分別給出了本文數(shù)值計(jì)算模型和尾緣開(kāi)縫結(jié)構(gòu)示意圖,表1給出了尾緣開(kāi)縫結(jié)構(gòu)主要幾何尺寸,計(jì)算模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)保持一致。尾緣開(kāi)縫結(jié)構(gòu)在冷卻通道布置了8排肋柱結(jié)構(gòu),肋柱直徑為D,在流向及展向的布置滿(mǎn)足L1/D=Sz/D=2.5,尾緣開(kāi)縫葉片尾緣半徑Rt與常規(guī)葉片一致,開(kāi)縫出口處的最小高度為H,尾緣開(kāi)縫處唇形為半圓形,半徑Rl滿(mǎn)足Rl/H=1。常規(guī)葉片及尾緣開(kāi)縫葉片計(jì)算模型葉高均取Sz,模型上下邊界設(shè)置為周期性邊界條件。

數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格采用ANSYS ICEM-CFD生成,

(a)常規(guī)葉片

(b)尾緣開(kāi)縫葉片圖2 數(shù)值計(jì)算模型

圖3 尾緣開(kāi)縫結(jié)構(gòu)示意圖

如圖4所示。計(jì)算網(wǎng)格在近壁面處進(jìn)行了加密,保證y+<1。常規(guī)葉片網(wǎng)格數(shù)為255萬(wàn),尾緣開(kāi)縫葉片網(wǎng)格在葉高及尾緣開(kāi)縫區(qū)域均進(jìn)行了加密,網(wǎng)格總數(shù)為627萬(wàn)。

(a)常規(guī)葉片

(b)尾緣開(kāi)縫葉片圖4 數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格

表2給出了Ames等實(shí)驗(yàn)[2]采用的6種湍流發(fā)生器類(lèi)型及其對(duì)應(yīng)的湍流強(qiáng)度水平。表3給出了各工況計(jì)算邊界條件。為保證計(jì)算的收斂性和精度,葉片流道進(jìn)口和出口分別取1倍和2倍軸向弦長(zhǎng),并對(duì)進(jìn)口設(shè)置的湍動(dòng)能和湍流耗散率進(jìn)行了修正,以保證葉片前緣70 mm截面處的湍流特性與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[10]一致。主流進(jìn)口總溫設(shè)定為302 K,出口靜壓設(shè)置為98 863 Pa[10]。進(jìn)行尾緣開(kāi)縫葉片傳熱特性計(jì)算時(shí),主流進(jìn)口及出口條件保持不變,冷氣進(jìn)口總溫和湍流強(qiáng)度分別為302 K和5%。

表2 湍流發(fā)生器及其湍流強(qiáng)度范圍

表3 各工況計(jì)算邊界條件

主流雷諾數(shù)定義為

Re=ρUCa/μ

(1)

式中:ρ、U分別表示主流進(jìn)口密度和流速;Ca表示葉片軸向弦長(zhǎng);μ表示動(dòng)力黏性系數(shù)。冷氣與主流的質(zhì)量流量比定義為

Rf=mc/mh

(2)

式中:mc和mh分別表示冷氣與主流的質(zhì)量流量;葉片表面壓力系數(shù)定義為

Cp=[Ps(x)-Ps(0)]/(Pt1-Ps2)

(3)

式中:Ps(x)表示葉片表面壓力;Ps(0)表示葉片前緣滯止點(diǎn)壓力;Pt1表示進(jìn)口總壓;Ps2表示出口靜壓。流場(chǎng)壓力系數(shù)定義為

P*=(P-Ps2)/(Pt1-Ps2)

(4)

式中:P表示流場(chǎng)中某點(diǎn)當(dāng)?shù)仂o壓。對(duì)流換熱系數(shù)定義為

h=q/(tw-th)

(5)

式中:q表示葉片表面熱流量;tw表示壁面溫度;th表示主流進(jìn)口溫度。主流總壓損失系數(shù)定義為

φ=(Pt1-Pt2)/(Pt1-Ps2)

(6)

式中:Pt1、Pt2分別表示主流進(jìn)口、出口總壓。

主流總壓損失主要用于衡量尾緣開(kāi)縫結(jié)構(gòu)對(duì)主流流動(dòng)特性的影響,而冷氣與主流摻混引起的能量損失則采用能量損失系數(shù)來(lái)衡量。能量損失系數(shù)定義為

ζ=1-{[1-(Ps2/Pt2)γ-1/γ](mhgTh+mcTc)}/

{mhTh[1-(Ps2/Pt1)γ-1/γ]+

mcTc[1-(Ps2/Pt3)γ-1/γ]}

(7)

式中:Th和Tc分別表示主流與冷氣的進(jìn)口溫度;Pt2表示出口總壓;Pt3表示冷氣進(jìn)口總壓;γ為比熱容比。

2 常規(guī)葉片流動(dòng)傳熱特性

2.1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

采用4套網(wǎng)格對(duì)進(jìn)口湍流度為航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室工況時(shí)、雷諾數(shù)為1×106的工況下葉片表面對(duì)流換熱系數(shù)的分布進(jìn)行計(jì)算,網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)分布見(jiàn)表4,計(jì)算結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出,4套網(wǎng)格均能捕捉到葉片表面的轉(zhuǎn)捩流動(dòng),但網(wǎng)格A在葉片前緣以及轉(zhuǎn)捩起始位置的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在較大的偏差,而網(wǎng)格B、網(wǎng)格C和網(wǎng)格D數(shù)值計(jì)算結(jié)果基本一致,因此本文最終選取節(jié)點(diǎn)數(shù)較多的網(wǎng)格D進(jìn)行計(jì)算。

表4 網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)分布

圖5 網(wǎng)格數(shù)對(duì)葉片表面對(duì)流換熱系數(shù)的影響

2.2 數(shù)值方法驗(yàn)證

圖6給出了葉片表面壓力系數(shù)分布,數(shù)值計(jì)算結(jié)果與Ames等的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[2]吻合良好。本文計(jì)算所使用的葉片具有較大的折轉(zhuǎn)角,流道喉部靠近吸力面前緣,因此在吸力面上游及壓力面下游區(qū)域均具有較大的壓力梯度。

圖6 葉片表面壓力系數(shù)分布

圖7給出了航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室工況時(shí)湍流強(qiáng)度下,不同湍流模型計(jì)算得到的葉片表面對(duì)流換熱系數(shù)分布與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果。從圖7可以看出:采用不帶轉(zhuǎn)捩的SSTk-ω湍流模型無(wú)法預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)捩流動(dòng);3種帶轉(zhuǎn)捩的湍流模型STAN7程序[2]、CFXγ-Reθ模型[10]和Fluent Transition SST模型均可以得到與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好的結(jié)果,但總體來(lái)看,Fluent Transition SST模型具有最高的精度,前兩種模型分別在葉片前緣和吸力面下游區(qū)域與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在一定偏差。

圖7 不同湍流模型時(shí)葉片表面對(duì)流換熱系數(shù)分布

圖8分別給出了6種主流湍流強(qiáng)度、3種主流雷諾數(shù)條件下葉片表面對(duì)流換熱系數(shù)分布情況。在湍流強(qiáng)度為低湍流度和催化燃燒室兩種低湍流度工況時(shí),葉片表面均未形成轉(zhuǎn)捩,葉片表面邊界層內(nèi)保持層流流動(dòng)狀態(tài),具有較低的對(duì)流換熱系數(shù);在湍流強(qiáng)度增大至格柵湍流強(qiáng)度(I=8.2%)及以上時(shí), 在3種雷諾數(shù)條件下均形成了轉(zhuǎn)捩流動(dòng),吸力面中下游區(qū)域?qū)α鲹Q熱系數(shù)明顯升高,尤其在高雷諾數(shù)工況時(shí),葉片尾緣兩側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)甚至高于葉片前緣,因此必須對(duì)尾緣區(qū)域進(jìn)行有效保護(hù)。隨著主流雷諾數(shù)的增大,轉(zhuǎn)捩形成位置逐漸向前緣移動(dòng)。隨著湍流強(qiáng)度的增大,葉片表面對(duì)流換熱系數(shù)整體升高,轉(zhuǎn)捩形成位置也逐漸前移。數(shù)值計(jì)算得到的湍流強(qiáng)度對(duì)葉片表面?zhèn)鳠崽匦缘挠绊懸?guī)律與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。在本文研究的18種工況下,數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均吻合良好,也說(shuō)明了本文采用的數(shù)值方法具有較高的精度和準(zhǔn)確性。

(a)低湍流強(qiáng)度

(b)催化燃燒室湍流強(qiáng)度

(c)格柵湍流強(qiáng)度

(d)帶閥燃燒室湍流強(qiáng)度

(e)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室湍流強(qiáng)度

(f)干式低NOx燃燒室湍流強(qiáng)度圖8 湍流強(qiáng)度對(duì)傳熱特性的影響

3 尾緣開(kāi)縫葉片流動(dòng)傳熱特性

(a)常規(guī)葉片 (b)尾緣開(kāi)縫葉片圖9 流場(chǎng)壓力分布

圖10 葉片表面壓力系數(shù)分布

圖9和圖10分別給出了主流湍流強(qiáng)度在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室、雷諾數(shù)為0.5×106的工況下,常規(guī)葉片和尾緣開(kāi)縫葉片(Rf=5.2%)流場(chǎng)壓力及葉片表面壓力的分布情況。尾緣開(kāi)縫葉片和常規(guī)葉片流場(chǎng)壓力的總體分布規(guī)律基本一致,但尾緣開(kāi)縫葉片噴入的冷氣會(huì)使流道喉部區(qū)域流量增大,壓力稍微升高。與常規(guī)葉片相比,尾緣開(kāi)縫葉片表面壓力系數(shù)在尾緣開(kāi)縫葉片和常規(guī)葉片的A、B位置升高0.2左右。從圖10中可以看到,尾緣開(kāi)縫葉片和常規(guī)葉片在A、B點(diǎn)位置處的壓力與實(shí)驗(yàn)值基本一致,這是由于Ames等在進(jìn)行尾緣開(kāi)縫葉片實(shí)驗(yàn)時(shí)只將一個(gè)常規(guī)葉片更換為尾緣開(kāi)縫葉片[3],由于其相鄰葉片仍為常規(guī)葉片,因此實(shí)驗(yàn)測(cè)得的尾緣開(kāi)縫葉片吸力面壓力分布與常規(guī)葉片一致。

(a)Re=0.5×106

(b)Re=1×106

(c)Re=2×106圖11 冷氣質(zhì)量流量比對(duì)葉片表面壓力分布的影響

圖11給出了主流湍流強(qiáng)度為航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室工況時(shí),3種主流雷諾數(shù)條件下冷氣質(zhì)量流量比對(duì)葉片表面壓力分布的影響。在相同主流雷諾數(shù)條件下,冷氣質(zhì)量流量比的增大,會(huì)使流道喉部區(qū)域的氣流量增大,因此葉片喉部區(qū)域(B點(diǎn)附近)壓力隨著冷氣質(zhì)量流量比的增大而逐漸升高。與常規(guī)葉片相比,尾緣開(kāi)縫葉片在冷氣質(zhì)量流量比為1.3%、2.6%和5.2%時(shí),葉片喉部區(qū)域壓力系數(shù)分別增大了0.1、0.15和0.2左右。

(a)Re=0.5×106

(b)Re=1×106

(c)Re=2×106圖12 冷氣質(zhì)量流量比對(duì)開(kāi)縫壁面壓力的影響

圖12給出了3種主流雷諾數(shù)條件下冷氣質(zhì)量流量比對(duì)開(kāi)縫壁面上壓力分布的影響。冷氣通過(guò)開(kāi)縫出口后,在開(kāi)縫壁面S/C為0～0.04之間的區(qū)域與主流開(kāi)始摻混,造成開(kāi)縫壁面上壓力逐漸升高;在S/C為0.04～0.1之間的區(qū)域,主流與冷氣已經(jīng)摻混均勻,在主流流動(dòng)的作用下,開(kāi)縫壁面壓力逐漸下降。在相同雷諾數(shù)條件下,冷氣質(zhì)量流量比越大,冷氣流量越大,與主流之間的摻混作用也越強(qiáng),因此開(kāi)縫壁面上的壓力越高;在不同雷諾數(shù)條件下,冷氣質(zhì)量流量比對(duì)開(kāi)縫壁面壓力的影響規(guī)律一致。

(a)Re=0.5×106

(b)Re=1×106

(c)Re=2×106圖13 葉片表面對(duì)流換熱系數(shù)分布

圖13給出了不同主流雷諾數(shù)和冷氣質(zhì)量流量比條件下葉片表面對(duì)流換熱系數(shù)分布情況。尾緣開(kāi)縫結(jié)構(gòu)對(duì)葉片表面對(duì)流換熱系數(shù)的影響主要集中在喉部即B點(diǎn)下游區(qū)域。隨著冷氣質(zhì)量流量比的增大,葉片流道喉部區(qū)域流速稍微提升,使葉片吸力面中下游區(qū)域?qū)α鲹Q熱系數(shù)逐漸增大。與Rf=1.3%的工況相比,Rf=2.6%和5.2%時(shí),尾緣開(kāi)縫葉片尾緣吸力面?zhèn)葘?duì)流換熱系數(shù)分別增大了3%和5%左右。對(duì)于尾緣開(kāi)縫葉片,冷氣質(zhì)量流量比的變化對(duì)轉(zhuǎn)捩點(diǎn)位置及轉(zhuǎn)捩點(diǎn)附近對(duì)流換熱系數(shù)基本沒(méi)有影響。與常規(guī)葉片相比,尾緣開(kāi)縫葉片轉(zhuǎn)捩點(diǎn)位置提前了約0.01倍弦長(zhǎng),轉(zhuǎn)捩點(diǎn)附近的對(duì)流換熱系數(shù)也降低了2.6%左右。

(a)Re=0.5×106

(b)Re=1×106

(c)Re=2×106圖14 開(kāi)縫壁面對(duì)流換熱系數(shù)沿流向的分布

圖14給出了不同雷諾數(shù)和冷氣質(zhì)量流量比條件下開(kāi)縫壁面上對(duì)流換熱系數(shù)沿流向的分布。開(kāi)縫壁面受到冷氣的直接作用,冷氣流速越大,對(duì)流換熱作用越強(qiáng)。開(kāi)縫壁面上對(duì)流換熱系數(shù)分布情況如圖15所示,壁面平均對(duì)流換熱系數(shù)見(jiàn)表4。圖15中箭頭相連的工況對(duì)應(yīng)于不同主流雷諾數(shù)條件下相同冷氣流量的工況,其開(kāi)縫壁面對(duì)流換熱系數(shù)的整體分布及壁面對(duì)流換熱系數(shù)平均值基本一致,說(shuō)明開(kāi)縫壁面上的傳熱特性主要受冷氣流量的作用,受主流雷諾數(shù)的影響較小。

表4 開(kāi)縫壁面平均對(duì)流換熱系數(shù)

(a)Re=0.5×106 (b)Re=1×106 (c)Re=2×106圖15 開(kāi)縫壁面對(duì)流換熱系數(shù)分布

圖16給出了湍流強(qiáng)度為航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室、主流雷諾數(shù)為1×106工況下截面流線及速度分布。隨著冷氣質(zhì)量流量比的增大,開(kāi)縫壁面上冷氣覆蓋厚度d逐漸增大,也使圖中虛線區(qū)域流速升高,加上開(kāi)縫壁面角度的影響,使出口氣流角也逐漸增大。圖17給出了各工況下的出口氣流角,從圖17可以看出,尾緣開(kāi)縫葉片出口氣流角均大于常規(guī)葉片,且隨著冷氣量的增大逐漸增大。在冷氣質(zhì)量流量比Rf為1.3%、2.6%和5.2%時(shí),尾緣開(kāi)縫葉片出口氣流角相比常規(guī)葉片分別增大0.3°、0.4°和0.5°左右。在相同冷氣質(zhì)量流量比工況下,不同主流雷諾數(shù)時(shí)葉片出口氣流角基本一致。

(a)常規(guī)葉片 (b)尾緣開(kāi)縫葉片,Rf=1.3%

(c)尾緣開(kāi)縫葉片,Rf=2.6% (d)尾緣開(kāi)縫葉片,Rf=5.2%圖16 截面流線及速度分布

圖17 出口氣流角隨冷氣質(zhì)量流量比的變化

圖18 總壓損失系數(shù)隨冷氣質(zhì)量流量比的變化

圖18給出了主流總壓損失系數(shù)與冷氣質(zhì)量流量比之間的關(guān)系,在冷氣質(zhì)量流量比為1.3%和2.6%時(shí),尾緣開(kāi)縫葉片主流總壓損失較常規(guī)葉片高1%左右;當(dāng)冷氣質(zhì)量流量比達(dá)到5.2%時(shí),主流總壓損失低于常規(guī)葉片,這與Uzol等的結(jié)論[7]相一致。這主要是由于Rf=1.3%和Rf=2.6%時(shí),開(kāi)縫出口處的冷氣流速低于主流流速,主流與冷氣摻混的過(guò)程中具有較大的流動(dòng)損失,引起了主流總壓損失的增大;當(dāng)Rf=5.2%時(shí),冷氣流速高于尾緣壓力面?zhèn)戎髁髁魉?降低了主流流動(dòng)損失,因此主流總壓損失下降。

圖19給出了3種主流雷諾數(shù)工況下能量損失系數(shù)與冷氣質(zhì)量流量比的關(guān)系,能量損失隨著冷氣質(zhì)量流量比的增大逐漸增大。圖20給出了距葉片尾緣1/4倍軸向弦長(zhǎng)位置處的總壓損失及二次流分布情況,總壓損失系數(shù)的分布規(guī)律與圖18相一致。由圖20可以看出,與常規(guī)葉片相比,尾緣開(kāi)縫葉片尾跡區(qū)具有較強(qiáng)的二次流,且隨著冷氣量的增大,二次流強(qiáng)度逐漸增大,說(shuō)明主流與冷氣之間的摻混作用越強(qiáng)烈,能量損失越大。

圖19 能量損失系數(shù)隨冷氣質(zhì)量流量比的變化

(a)常規(guī)葉片 (b)尾緣開(kāi)縫葉片,Rf=1.3%

(c)尾緣開(kāi)縫葉片,Rf=2.6% (d)尾緣開(kāi)縫葉片,Rf=5.2%圖20 總壓損失系數(shù)及二次流分布

4 結(jié) 論

采用帶轉(zhuǎn)捩的SSTk-ω湍流模型研究了尾緣開(kāi)縫結(jié)構(gòu)對(duì)葉片流動(dòng)傳熱特性的影響,對(duì)比了不同冷氣質(zhì)量流量比條件下尾緣區(qū)域的流場(chǎng)結(jié)構(gòu),分析了冷氣質(zhì)量流量對(duì)尾緣開(kāi)縫葉片表面流動(dòng)傳熱特性的影響規(guī)律,得到如下結(jié)論:

(1)與常規(guī)葉片相比,尾緣開(kāi)縫葉片在冷氣質(zhì)量流量比為1.3%、2.6%和5.2%時(shí),流道喉部區(qū)域壓力系數(shù)分別增大了0.1、0.15和0.2;尾緣開(kāi)縫結(jié)構(gòu)對(duì)葉片表面對(duì)流換熱系數(shù)的影響主要在吸力面喉部下游區(qū)域,與冷氣質(zhì)量流量比為1.3%的工況相比,冷氣質(zhì)量流量比為2.6%和5.2%時(shí),尾緣吸力面?zhèn)鹊膶?duì)流換熱系數(shù)分別增大了3%和5%;

(2)與常規(guī)葉片相比,尾緣開(kāi)縫葉片吸力面轉(zhuǎn)捩點(diǎn)位置提前了約0.01倍弦長(zhǎng),轉(zhuǎn)捩點(diǎn)附近的對(duì)流換熱系數(shù)降低了2.6%左右,冷氣質(zhì)量流量比對(duì)尾緣開(kāi)縫葉片轉(zhuǎn)捩點(diǎn)位置及轉(zhuǎn)捩點(diǎn)附近對(duì)流換熱系數(shù)的影響較小;

(3)隨著冷氣質(zhì)量流量比的增大,開(kāi)縫壁面上壓力及對(duì)流換熱系數(shù)均逐漸增大;當(dāng)冷氣流量一定時(shí),在不同主流雷諾數(shù)條件下開(kāi)縫壁面上對(duì)流換熱系數(shù)基本一致;

(4)與常規(guī)葉片相比,冷氣質(zhì)量流量比為1.3%、2.6%和5.2%時(shí),尾緣開(kāi)縫葉片出口氣流角分別增大0.3°、0.4°和0.5°左右;主流總壓損失在冷氣質(zhì)量流量比為1.3%和2.6%時(shí),高于常規(guī)葉片1%左右,當(dāng)冷氣質(zhì)量流量比為5.2%時(shí),主流總壓損失低于常規(guī)葉片。