垂直輔助孔對氣膜冷卻效率影響的數(shù)值分析

任慧

（92728部隊，上海 200436）

為了提高航空發(fā)動機的熱效率，渦輪入口溫度越來越高，已遠(yuǎn)高于渦輪材料的熔點，必須對葉片進行有效冷卻，才能夠保證渦輪正常工作。從Wieghardt開始?xì)饽だ鋮s研究，為解決機翼防凍的問題，研究二維槽縫熱氣噴射。之后，Shuye等研究表明扇形孔射流可以明顯地提高冷卻效率，特別是在高吹風(fēng)比時，后傾扇形孔橫向擴散性更好。Heidmann和Dhungel等人在改造的新型氣膜冷卻結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)兩側(cè)輔助孔射流使主孔冷氣在與主流摻混中的對旋渦對衰減，冷卻效果明顯增強。垂直孔輔助射流結(jié)構(gòu)由于改變了冷氣和燃?xì)獾膿交焯匦?，有效擴展了冷氣的展向覆蓋范圍，氣膜冷卻效率明顯提高，所以，針對該結(jié)構(gòu)開展氣膜冷卻研究具有重要的工程應(yīng)用價值。

1 數(shù)值模擬

1.1 計算域和網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

圖1為輔助孔結(jié)構(gòu)計算域，包括主流通道、氣膜孔和冷氣腔，主流通道徑向?qū)?yīng)一個氣膜孔。主流通道在y方向保證通道高度對冷氣射流流動影響很小，冷腔尺寸相對于氣膜孔足夠大。輔助孔結(jié)構(gòu)主孔間距為3D，通道入口到主孔中心的距離為10D，主孔中心到通道出口的距離為35D。

圖1 輔助孔結(jié)構(gòu)主視圖

氣膜孔內(nèi)部和氣膜孔出口附近生成非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，其他范圍生成結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。圖2為單孔模型網(wǎng)格劃分總網(wǎng)格數(shù)為150萬左右。圖3為添加輔助孔結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，輔助孔位于x/D=-1結(jié)構(gòu)（Case1）、輔助孔位于x/D=0結(jié)構(gòu)（Case2）、輔助孔位于x/D=1結(jié)構(gòu)（Case3）總網(wǎng)格數(shù)為190萬左右。

圖2 單孔結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分

圖3 輔助孔結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分

1.2 參數(shù)定義和邊界條件

其中，ρc為冷氣的密度，ρ∞為主流高溫燃?xì)獾拿芏?。uc為冷卻氣體速度，u∞為主流高溫燃?xì)獾乃俣?。T∞為主流高溫燃?xì)獾臏囟?，Taw為絕熱壁面溫度，TC為冷卻氣體溫度，T為冷氣與主流摻混后實際溫度。

計算采用分離隱式求解器、realizable κ-ε湍流模型、增強壁面函數(shù)、SIMPLE算法，各物理量離散格式采用二階精度迎風(fēng)格式，解收斂條件為各參數(shù)殘差小于10-6。

主流通道采用速度入口、壓力出口，溫度為330K，湍流度為2%。二次流通道入口采用速度入口，速度大小根據(jù)M算出，溫度為300K，湍流度為2%。

圖4為M=1.0時圓孔展向平均氣膜冷卻效率計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)對比圖，二者吻合度高，表明本文所采用方法可精確模擬計算氣膜冷卻效率。

圖4 實驗與計算對比結(jié)果

2 結(jié)果分析

2.1 輔助孔位置對氣膜孔下游流場和溫度場的影響

圖6 M=1.0渦系及無量綱過余溫度分布

圖7 M=1.5渦系及無量綱過余溫度分布

圖8 M=2.0渦系及無量綱過余溫度分布

圖5～8為四種不同結(jié)構(gòu)在x/D=4截面處的速度矢量分布和無量綱過余溫度分布。在M=0.5時，四種不同結(jié)構(gòu)中主孔冷氣形成的腎形渦沒有太大的變化。在M=1.0、1.5、2.0時，具有垂直輔助孔的三個結(jié)構(gòu)對主孔腎型渦都起到了壓制作用，尺度和強度都得到了有效抑制，使得主孔射流緊貼冷卻面，展向冷卻范圍增加，同時輔助孔射流也使冷氣與主流高溫氣體有效隔離，減少摻混，氣膜冷卻效率得到有效提高。隨著垂直輔助孔位置后移，無量綱過余溫度在展向分布上更加均勻，但是對主孔腎型渦的壓制效果減小。雖然腎型渦在尺度方面沒有劇烈變化，但從無量綱過余溫度分布圖可以看出，隨著垂直輔助孔位置后移，貼近冷卻面的無量綱過余溫度逐漸升高，而且低溫區(qū)域也從貼近壁面的扁平狀逐漸變得渾圓且遠(yuǎn)離壁面，但在這種情況下，依然好于單孔結(jié)構(gòu)中無量綱過余溫度分布。

圖5 M=0.5渦系及無量綱過余溫度分布

2.2 輔助孔位置對氣膜冷卻效率影響

氣膜冷卻效率主要從三個方面進行分析，分別是下游展向平均氣膜冷卻效率，下游x/D=4處展向氣膜冷卻效率及氣膜冷卻效率分布。

圖9為四種不同結(jié)構(gòu)下游展向平均氣膜冷卻效率分布。在M=1.0、1.5、2.0時，具有垂直輔助孔的三個結(jié)構(gòu)比單孔結(jié)構(gòu)下游展向平均氣膜冷卻效率有明顯提高。而在M=0.5時，垂直輔助孔形成的渦對在主孔兩側(cè)，對主孔腎形渦基本沒有起到壓制作用，反而使主流高溫氣體摻混冷氣量提高，導(dǎo)致小吹風(fēng)比時單孔結(jié)構(gòu)下游展向平均氣膜冷卻效率高于具有輔助孔的三個結(jié)構(gòu)。

圖9 不同結(jié)構(gòu)下游展向平均氣膜冷卻效率

圖10為四種不同結(jié)構(gòu)在x/D=4處氣膜冷卻效率展向分布。M=0.5時，三個具有垂直輔助孔結(jié)構(gòu)展向氣膜冷卻效率分布曲線與單孔結(jié)構(gòu)相比變化更加劇烈，Case3平均氣膜冷卻效率最低。在較M=1.0、1.5、2.0時，具有垂直輔助孔結(jié)構(gòu)展向氣膜冷卻效率分布曲線均在單孔結(jié)構(gòu)上方，這說明具有垂直輔助孔結(jié)構(gòu)在孔下游4D壁面處比單孔結(jié)構(gòu)氣膜冷卻效率高，并且在孔中心線處氣膜冷卻效率明顯提高。特別是，Case3結(jié)構(gòu)展向氣膜冷卻效率分布曲線波動十分平緩，展向氣膜冷卻效率分布十分均勻，兩側(cè)和中心位置差別不大，在四個結(jié)構(gòu)中該結(jié)構(gòu)展向擴散最好。

圖10 不同結(jié)構(gòu)在4D處展向氣膜冷卻效率分布

四種不同結(jié)構(gòu)氣膜冷卻效率分布如圖11所示。在M=0.5條件下，單孔結(jié)構(gòu)平均氣膜冷卻效率為0.29；Case1結(jié)構(gòu)平均氣膜冷卻效率為0.29；Case2結(jié)構(gòu)在平均氣膜冷卻效率為0.289；Case3結(jié)構(gòu)平均氣膜冷卻效率為0.26。

圖11 四種結(jié)構(gòu)氣膜冷卻效率分布圖

在M=1.0時，單孔結(jié)構(gòu)在整個冷卻區(qū)域平均氣膜冷卻效率為0.32；Case1結(jié)構(gòu)平均氣膜冷卻效率為0.38；效率最高結(jié)構(gòu)為Case2，在整個冷卻區(qū)域平均氣膜冷卻效率為0.39，該結(jié)構(gòu)較單孔結(jié)構(gòu)效率提高18%；在三個具有垂直輔助孔結(jié)構(gòu)中，Case3結(jié)構(gòu)效率最低，平均氣膜冷卻效率為0.35，但其平均氣膜冷卻效率較單孔結(jié)構(gòu)也提高了9%。

在M=1.5時，Case1結(jié)構(gòu)輔助孔射流對主孔冷氣壓制而減小冷氣在y方向上的擴散，氣膜冷卻效率達到0.6區(qū)域在四個結(jié)構(gòu)中最大，而且隨著x/D增大，氣膜冷卻效率衰減也比較緩慢。但在兩側(cè)靠近壁面區(qū)域，氣膜冷卻效率和中心位置相差懸殊，中心位置冷卻效率已經(jīng)超過0.6，兩側(cè)則只有0.4左右。該結(jié)構(gòu)平均氣膜冷卻效率較高，達到0.42，與單孔結(jié)構(gòu)相比提高了18.7%，氣膜冷卻效率提高十分明顯。

在M=2.0時，四個結(jié)構(gòu)中平均氣膜冷卻效率最高的結(jié)構(gòu)是Case2結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)平均氣膜冷卻效率為0.45，較單孔結(jié)構(gòu)平均氣膜冷卻效率提高了20.7%，氣膜冷卻效率提高十分明顯。

3 結(jié)語

（1）在相同條件下，與單孔結(jié)構(gòu)相比，具有垂直輔助孔結(jié)構(gòu)氣膜冷卻效率得到大幅提高。

（2）具有垂直輔助孔三個結(jié)構(gòu)中對腎形渦壓制效果最好的是輔助孔位于x/D=-1結(jié)構(gòu)。平均氣膜冷卻效率最高是輔助孔位于x/D=0結(jié)構(gòu)，在吹風(fēng)比M=2.0時，該結(jié)構(gòu)較單孔結(jié)構(gòu)氣膜冷卻效率提高了20.7%。

（3）整個冷卻面上冷卻最均勻的是輔助孔位于x/D=1結(jié)構(gòu)。垂直輔助孔位于x/D=1時，冷卻效率隨著x/D增加而造成衰減速度最緩慢，而且展向擴散也最均勻。