造型凹坑孔深度及張角對(duì)壁面氣膜冷卻性能的影響

張子寒,何坤,晏鑫

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

現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)高溫部件的熱防護(hù)主要通過(guò)內(nèi)部和外部冷卻技術(shù)相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn),氣膜冷卻作為典型的外部冷卻技術(shù),可以有效地隔絕高溫燃?xì)鈴亩嵘邷夭考臒嵝?。在氣膜冷卻技術(shù)中,圓孔是目前實(shí)際應(yīng)用廣泛的一種冷卻孔結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)圓孔噴射出的冷卻氣流會(huì)在壁面附近產(chǎn)生一對(duì)旋渦,又稱腎形渦[1]。腎形渦的形成及發(fā)展會(huì)造成冷卻氣流的抬升,從而惡化氣膜冷卻性能,因此氣膜冷卻研究的主要重點(diǎn)是削弱腎型渦的影響并提高壁面氣膜冷卻效率。

為了改善氣膜冷卻性能,國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)氣膜冷卻孔的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量研究,其中重點(diǎn)研究主要包括兩方面,一是對(duì)于冷卻孔幾何形狀(異型孔)的研究,二是在冷卻孔出口附近增加輔助結(jié)構(gòu)的研究。在異型孔的研究方面,Goldstein等最早提出了扇形冷卻孔結(jié)構(gòu),這種冷卻孔形狀增大了射流出口的面積從而減小了冷卻氣流速度,增強(qiáng)了冷卻流體橫向擴(kuò)散程度,有效地改善了氣膜冷卻效率[2]。朱惠人等實(shí)驗(yàn)研究了氣膜孔幾何形狀及吹風(fēng)比對(duì)冷卻孔下游冷卻效率的影響,發(fā)現(xiàn)在吹風(fēng)比較大的條件下,圓錐形孔以及簸箕形孔的冷卻效率和冷卻區(qū)域均優(yōu)于圓柱形孔[3]。戴萍等研究了氣膜孔形狀對(duì)冷卻效率的影響,發(fā)現(xiàn)隨吹風(fēng)比增大,圓柱形孔的冷卻效率有明顯降低,而向前擴(kuò)張孔的冷卻效率優(yōu)于圓柱形孔并且冷卻流體在周向的擴(kuò)散范圍較廣[4]。李廣超等提出了雙出口氣膜冷卻孔結(jié)構(gòu),并通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)雙出口孔射流冷卻效率明顯高于圓孔的射流冷卻效率[5]。近年來(lái),出現(xiàn)了更為復(fù)雜的形狀,例如月牙孔[6]、啞鈴孔[7]等,然而上述的異型孔結(jié)構(gòu)在一定程度上增加了葉片加工制造的難度和成本。因此,另一類研究熱點(diǎn)是在常規(guī)圓孔的基礎(chǔ)上對(duì)冷卻孔出口附近進(jìn)行簡(jiǎn)單的局部加工。Nasir等通過(guò)在冷卻孔上游設(shè)置三角形凹槽,使得氣膜冷卻射流的頂部產(chǎn)生了一對(duì)與腎形渦方向相反的旋渦,減小了射流與主流的摻混,有效地提高了氣膜冷卻效率[8]。李永康等利用了三角形突片提高壁面的氣膜冷卻效率,發(fā)現(xiàn)在突片作用下,二次流能夠更好地貼附壁面,在不同吹風(fēng)比下,氣膜冷卻效率均有不同程度的改善[9]。孫璐等研究了開槽前擴(kuò)張孔及復(fù)合角對(duì)氣膜冷卻的影響,發(fā)現(xiàn)在開槽前擴(kuò)張孔的基礎(chǔ)上加不同角度的復(fù)合角可以減弱二次流的影響,從而有效地保持冷卻氣膜貼附在冷卻表面[10]。近年來(lái),Fric等提出將圓孔嵌入凹坑中的冷卻孔結(jié)構(gòu),在減小冷卻射流動(dòng)量的同時(shí)增加了冷卻流體周向的擴(kuò)散,提供了一種簡(jiǎn)單有效的方法來(lái)提高冷卻效率[11]。之后,Kalghatgi等提出了一種V字形凹坑冷卻孔結(jié)構(gòu),通過(guò)與常規(guī)凹坑冷卻孔結(jié)構(gòu)對(duì)比發(fā)現(xiàn)壁面氣膜冷卻效率提高了近100%[12]。王振偉等實(shí)驗(yàn)研究了凹槽孔的氣膜冷卻性能,發(fā)現(xiàn)凹槽孔相對(duì)于圓柱形孔,更好地抑制了冷氣射流分離,從而提供了更多的冷卻流體[13]。戴萍等數(shù)值研究了不同橫向凹槽結(jié)構(gòu)對(duì)氣膜冷卻效果的影響,發(fā)現(xiàn)在任何吹風(fēng)比下,所有開槽孔的氣膜冷卻效率均高于圓柱孔[14]。Schreivogel等提出了一種W狀的凹槽結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)最優(yōu)結(jié)構(gòu)在高動(dòng)量比下,平均氣膜冷卻效率較橫向凹槽結(jié)構(gòu)提高了56%[15]。Li等研究了帶復(fù)合角凹槽孔的氣膜冷卻特性,發(fā)現(xiàn)復(fù)合角的加入提高了氣膜冷卻性能,其中復(fù)合角為45°的凹槽孔的氣膜冷卻性能最好[16]。張子寒等設(shè)計(jì)了一種造型凹坑冷卻孔結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)在不同吹風(fēng)比條件下,相比于常規(guī)圓孔,壁面的氣膜冷卻性能均有不同程度提高[17]。

為進(jìn)一步研究造型凹坑冷卻孔結(jié)構(gòu)對(duì)壁面氣膜冷卻性能及流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響,本文利用RANS方程組,選取Realizablek-ε湍流模型對(duì)帶造型凹坑孔壁面氣膜冷卻性能進(jìn)行數(shù)值求解,利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)考核了數(shù)值方法的有效性,分析了不同吹風(fēng)比條件下,造型凹坑孔深度及結(jié)構(gòu)張角對(duì)壁面氣膜冷卻總體性能的影響機(jī)制。

1 計(jì)算模型和數(shù)值方法

圖1 計(jì)算模型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Simulation model

本文中吹風(fēng)比的定義為

M=ρcUc/ρmUm

(1)

式中:ρc為冷卻射流進(jìn)口密度;Uc為冷卻射流進(jìn)口速度;ρm為主流進(jìn)口密度;Um為主流進(jìn)口速度。

絕熱氣膜冷卻效率定義為

η=(Tm-T)/(Tm-Tc)

(2)

式中:Tm為主流溫度;T為當(dāng)?shù)販囟?Tc為冷卻射流溫度。

歸一化溫度的定義為

T*=(T-Tc)/(Tm-Tc)

(3)

(a)軸向中心線氣膜冷卻效率 (b)周向平均氣膜冷卻效率圖2 氣膜冷卻效率計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.2 Comparison of experimental and simulated results of film cooling effectiveness

通過(guò)利用不同湍流模型計(jì)算壁面氣膜冷卻效率,發(fā)現(xiàn)Realizablek-ε湍流模型求解湍流方程的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果最為相近[17],最終選取Realizablek-ε湍流模型并利用SIMPLE算法進(jìn)行壓力和速度的關(guān)系計(jì)算,選用二階格式進(jìn)行空間離散。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 凹坑深度對(duì)壁面冷卻性能及流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響

計(jì)算了吹風(fēng)比分別為0.5、1、1.5條件下不同凹坑深度d(共14種)造型凹坑孔壁面的氣膜冷卻效率,并與常規(guī)圓孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比,確定了所設(shè)計(jì)造型凹坑孔結(jié)構(gòu)的最優(yōu)凹坑深度。

大數(shù)據(jù)應(yīng)用推動(dòng)政府?dāng)?shù)據(jù)開放共享，打破政府部門間數(shù)據(jù)的壟斷，促進(jìn)各個(gè)領(lǐng)域之間的數(shù)據(jù)融合，構(gòu)建了政府部門之間以及政府與社會(huì)之間的數(shù)據(jù)共享，推動(dòng)政府在公共活動(dòng)中協(xié)同治理，有效調(diào)動(dòng)各方力量參與社會(huì)事務(wù)，不斷提升效率和質(zhì)量，提高社會(huì)治理的精準(zhǔn)性，進(jìn)一步推動(dòng)政府管理模式改變，使政府治理邁向數(shù)據(jù)治理，從而極大增強(qiáng)了政府社會(huì)治理能力。社會(huì)上各種問題紛繁復(fù)雜，大數(shù)據(jù)能夠?qū)?fù)雜情況進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，政府通過(guò)分析應(yīng)用各種數(shù)據(jù)信息，能夠掌握社會(huì)各種事件之間聯(lián)系以及內(nèi)在規(guī)律，制定更加有效的應(yīng)對(duì)措施，及時(shí)預(yù)防問題的發(fā)生，不斷降低社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)程度，提升政府防范風(fēng)險(xiǎn)的水平，為解決社會(huì)各種問題提供新的手段，進(jìn)一步提高政府治理能力。

如圖3所示,在小吹風(fēng)比即M為0.5時(shí),對(duì)于壁面軸向中心線上的氣膜冷卻效率,只有d=0.2D的結(jié)構(gòu)整體優(yōu)于常規(guī)圓孔結(jié)構(gòu),隨著凹坑深度的不斷增加,壁面軸向中心線上的氣膜冷卻效率有所降低,當(dāng)凹坑深度增加到2.3D時(shí),繼續(xù)增加凹坑深度,中心線上的氣膜冷卻效率基本不再變化。

(a)軸向中心線氣膜冷卻效率

(b)周向平均氣膜冷卻效率圖3 M=0.5時(shí)不同凹坑深度的造型凹坑孔結(jié)構(gòu)與常規(guī)圓孔結(jié)構(gòu)氣膜冷卻效率對(duì)比Fig.3 Comparison of contoured crater holes with different depths and conventional round hole for film cooling effectiveness at M=0.5

對(duì)于周向平均氣膜冷卻效率,由于造型凹坑孔結(jié)構(gòu)增大了冷卻流體在周向上的擴(kuò)散,所有凹坑結(jié)構(gòu)周向平均氣膜冷卻效率均優(yōu)于常規(guī)圓孔結(jié)構(gòu),隨著凹坑深度的不斷增加,壁面周向平均氣膜冷卻效率也不斷提升,并且當(dāng)凹坑深度增加到2.3D時(shí),繼續(xù)增加凹坑深度,周向平均氣膜冷卻效率也基本不再改變。對(duì)于d=2.3D的造型凹坑孔結(jié)構(gòu),在靠近冷卻孔(X/D<3)的區(qū)域,周向平均氣膜冷卻效率提高了100%以上,而在冷卻孔下游(3

如圖4所示,在吹風(fēng)比為1時(shí),壁面軸向中心線上的氣膜冷卻效率隨著凹坑深度的增加而不斷提升,并且整體均優(yōu)于常規(guī)圓孔結(jié)構(gòu)。同樣地,當(dāng)凹坑深度增加到2.3D時(shí),繼續(xù)增加凹坑深度,壁面中心線上的氣膜冷卻效率不會(huì)繼續(xù)提高。

(a)軸向中心線氣膜冷卻效率

(b)周向平均氣膜冷卻效率圖4 M=1時(shí)不同凹坑深度的造型凹坑孔結(jié)構(gòu)與常規(guī)圓孔結(jié)構(gòu)氣膜冷卻效率對(duì)比Fig.4 Comparison of contoured crater holes with different depths and conventional round hole for film cooling effectiveness at M=1

對(duì)于壁面周向平均氣膜冷卻效率,隨著凹坑深度的不斷增加,氣膜冷卻效率的提升十分顯著,當(dāng)造型凹坑孔的凹坑深度增加到2.3D時(shí),繼續(xù)增加凹坑深度,周向平均氣膜冷卻效率也基本不會(huì)改變。對(duì)于d=2.3D的造型凹坑孔結(jié)構(gòu),在靠近冷卻孔(X/D<3)的區(qū)域,周向平均氣膜冷卻效率提高了400%以上,而在冷卻孔下游(3

如圖5所示,在較大吹風(fēng)比即M為1.5時(shí),對(duì)于壁面軸向中心線上的氣膜冷卻效率,隨著造型凹坑孔凹坑深度的不斷增加,氣膜冷卻效率有一定程度的提升,并且所有結(jié)構(gòu)的冷卻效率均優(yōu)于常規(guī)圓孔結(jié)構(gòu)。造型凹坑孔凹坑深度在0.2D至1.3D之間氣膜冷卻效率提升幅度較為明顯,當(dāng)凹坑深度增加到2.3D時(shí),繼續(xù)增加凹坑深度,中心線上的氣膜冷卻效率基本不會(huì)改變。

(a)軸向中心線氣膜冷卻效率

(b)周向平均氣膜冷卻效率圖5 M=1.5時(shí)不同凹坑深度的造型凹坑孔結(jié)構(gòu)與常規(guī)圓孔結(jié)構(gòu)氣膜冷卻效率對(duì)比Fig.5 Comparison of contoured crater holes with different depths and conventional round hole for film cooling effectiveness at M=1.5

對(duì)于壁面周向平均氣膜冷卻效率,隨著造型凹坑孔凹坑深度的不斷增加,相比于吹風(fēng)比為1的工況,氣膜冷卻效率提升更為顯著,并且在遠(yuǎn)離冷卻孔下游的區(qū)域,壁面氣膜冷卻效率有一定程度的回升,說(shuō)明吹風(fēng)比越大,所設(shè)計(jì)的造型凹坑孔對(duì)冷卻孔下游冷氣沿壁面周向延展性的提升越強(qiáng)。當(dāng)凹坑深度增加到2.3D時(shí),繼續(xù)增加凹坑深度,周向平均氣膜冷卻效率已經(jīng)沒有明顯的提升。對(duì)于d=2.3D的造型凹坑孔結(jié)構(gòu),在靠近冷卻孔(X/D<3)的區(qū)域,周向平均氣膜冷卻效率提高了近500%,而在冷卻孔下游(3

表1展示了d=2.3D的造型凹坑孔結(jié)構(gòu)在3種吹風(fēng)比條件下,相比于常規(guī)圓孔結(jié)構(gòu),不同冷卻區(qū)域壁面周向平均氣膜冷卻效率提升的具體情況。

表1 周向平均氣膜冷卻效率提高程度

隨著凹坑深度的不斷增加,造型凹坑孔壁面中心線以及周向平均氣膜冷卻效率均有不同程度的提高,當(dāng)造型凹坑孔凹坑深度增加到2.3D時(shí),繼續(xù)增加凹坑深度,中心線以及周向平均氣膜冷卻效率無(wú)明顯變化,說(shuō)明冷卻射流沿展向動(dòng)量的降低程度、沿周向動(dòng)量的增大程度以及冷卻孔和凹坑整體長(zhǎng)度對(duì)壁面氣膜冷卻性能的影響均達(dá)到了極限,所以認(rèn)定所設(shè)計(jì)的造型凹坑冷卻孔結(jié)構(gòu)的最優(yōu)凹坑深度為2.3D。

吹風(fēng)比越大,造型凹坑孔結(jié)構(gòu)壁面氣膜冷卻效率提升程度越顯著,造成這種現(xiàn)象的原因有兩點(diǎn):一是相比于常規(guī)圓孔結(jié)構(gòu),造型凹坑孔結(jié)構(gòu)在射流管道的末端提供了一個(gè)膨脹腔室,有效降低了冷卻射流沿展向的動(dòng)量,增大了冷卻射流沿周向的動(dòng)量,使冷卻流體可以更好地貼近壁面,所設(shè)計(jì)造型凹坑孔前緣的峰型凸起結(jié)構(gòu)可以增大冷卻流體在周向的擴(kuò)散,提高冷氣的覆蓋面積,從而有效地提升壁面氣膜冷卻性能;二是在流場(chǎng)結(jié)構(gòu)上,所設(shè)計(jì)的造型凹坑孔結(jié)構(gòu)相對(duì)于常規(guī)圓孔結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生與腎形渦方向相反的反向腎形渦,抑制腎形渦的發(fā)展,有效地降低冷卻氣流的抬升,使冷卻流體更好地覆蓋在高溫壁面。

對(duì)于常規(guī)圓形冷卻孔結(jié)構(gòu),其流場(chǎng)的渦系結(jié)構(gòu)如圖6所示。常規(guī)圓形冷卻孔附近的渦系結(jié)構(gòu)主要包括進(jìn)口渦、分離渦(也稱螺旋渦)、馬蹄渦、腎形渦,其中腎形渦是造成冷卻流體抬升的主要原因。腎形渦的形成是由于冷卻管道內(nèi)的流體存在一定的速度梯度,流體中間的速度大于兩側(cè)速度,在剪切力的作用下形成了剪切層旋渦,而管道內(nèi)形成的剪切層旋渦在主流的作用下最終形成了不利于氣膜冷卻的腎形渦,腎形渦的渦旋方向?yàn)轫槙r(shí)針。

圖6 常規(guī)圓形冷卻孔流場(chǎng)渦系結(jié)構(gòu)Fig.6 Near field vortex structures in the conventional round hole

造型凹坑孔結(jié)構(gòu)流場(chǎng)的渦系結(jié)構(gòu)如圖7所示,其相對(duì)于常規(guī)圓形冷卻孔結(jié)構(gòu)增加了兩種新型的渦系結(jié)構(gòu),分別為颶風(fēng)渦和反向腎形渦。當(dāng)冷卻流體從圓孔中噴射出時(shí),會(huì)沖擊在凹坑壁面上并且掠過(guò)凹坑的峰型凸起,由于凹坑本身以及兩側(cè)峰型凸起輪廓的作用會(huì)在氣膜孔下游產(chǎn)生反向腎形渦,而直接沖擊在峰型凸起壁面上的流體會(huì)轉(zhuǎn)向形成一對(duì)颶風(fēng)渦,并向上發(fā)展最終與反向腎形渦融合,抑制流場(chǎng)中腎形渦的形成及發(fā)展,從而有效地減小腎形渦的尺寸及強(qiáng)度,削弱其抬升壁面附近冷卻流體的作用,增強(qiáng)冷卻孔下游冷卻流體沿流向的延伸及周向的覆蓋,進(jìn)而有效地提升壁面的冷卻性能。

圖7 造型凹坑冷卻孔流場(chǎng)渦系結(jié)構(gòu)Fig.7 Near field vortex structures in the contoured crater hole

為了體現(xiàn)凹坑深度對(duì)壁面冷卻性能及流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響,選擇了4種不同凹坑深度(d=0.7D,1.3D,1.9D,2.3D)的冷卻孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算結(jié)果對(duì)比。

圖8展示了吹風(fēng)比為1時(shí)4種不同深度凹坑冷卻孔結(jié)構(gòu)壁面氣膜冷卻效率云圖對(duì)比。由圖可知:隨著凹坑深度的不斷增加,壁面高氣膜冷卻效率區(qū)域沿周向的擴(kuò)張程度提升明顯,壁面附近冷卻流體的覆蓋范圍逐漸擴(kuò)展,氣膜冷卻性能的提升效果顯著;凹坑深度越深,冷卻流體動(dòng)量降低的幅度越大,產(chǎn)生的颶風(fēng)渦和反向腎形渦可以更早地抑制腎形渦的形成及發(fā)展;凹坑深度增大對(duì)下游較遠(yuǎn)(X/D>5)區(qū)域近壁面冷氣的周向覆蓋范圍具有更佳的擴(kuò)展效果。

(a)0.7D凹坑孔

(b)1.3D凹坑孔

(c)1.9D凹坑孔

(d)2.3D凹坑孔圖8 不同深度凹坑孔壁面氣膜冷卻效率分布Fig.8 Distributions of film cooling effectiveness on wall of contoured crater holes with different depths

(a)凹坑冷卻孔附近三維流線圖

(b)凹坑冷卻孔附近流線主視圖圖9 不同深度凹坑冷卻孔附近區(qū)域的流線圖 Fig.9 Three-dimensional coolant streamlines around contoured crater holes with different depths

圖9展示了吹風(fēng)比為1時(shí)不同深度凹坑冷卻孔附近區(qū)域的三維流線及其主視圖,圖中用黑色渲染主流流體。隨著凹坑深度的增加,主流流線與冷卻流流線摻混時(shí)沿周向的位移增大(見圖9a中的A區(qū)域),冷卻流流線的展向高度整體降低,周向范圍逐漸擴(kuò)展(見圖9a中的B區(qū)域)。當(dāng)凹坑深度較小時(shí),冷卻流體耗散迅速導(dǎo)致高溫主流較快地侵蝕被冷卻壁面,但隨著凹坑深度的不斷增加,冷卻流體抬升的位置逐漸延后,冷卻孔下游區(qū)域冷卻流體覆蓋壁面的展向高度逐漸增大(見圖9b中的C、D、E區(qū)域,虛線代表高溫主流流向),增大了近壁面冷卻流體沿軸向及周向的覆蓋面積,使被保護(hù)壁面不會(huì)過(guò)早地接觸高溫主流。

圖10展示了吹風(fēng)比為1時(shí),不同深度凹坑冷卻孔在3個(gè)軸向截面上渦量分量Wx的分布圖。隨著凹坑深度的增加,腎形渦主體部分的中心高度不斷降低且強(qiáng)度和尺度逐漸減小,反向腎形渦的中心高度、渦旋強(qiáng)度及尺度均不斷增大,并且近壁面渦量沿周向的延伸程度有明顯的提升。這說(shuō)明增大凹坑深度可以有效地抑制腎形渦的發(fā)展,減緩冷卻流體的騰起現(xiàn)象,明顯改善壁面的冷卻性能。

(a)0.7D凹坑孔

(b)1.3D凹坑孔

(c)1.9D凹坑孔

(d)2.3D凹坑孔圖10 不同深度凹坑孔軸向截面渦量分量Wx分布 Fig.10 Distributions of vorticity Wx on axial locations of contoured crater holes with different depths

2.2 張角對(duì)壁面冷卻性能及流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響

在確定了造型凹坑孔最優(yōu)凹坑深度2.3D之后,展開了張角對(duì)壁面冷卻性能及流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響研究,其主要的特征差別在于冷卻孔中心和凸起峰值點(diǎn)之間的連線與軸向中心線的夾角不同。為了保證張角是影響模型結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果的唯一變量,所有造型凹坑冷卻孔結(jié)構(gòu)的凸起峰值點(diǎn)在半徑相同的圓弧上變化。本文在原始造型的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了4種不同結(jié)構(gòu)的造型凹坑孔,張角分別為18°、21°、24°(原始結(jié)構(gòu))、27°以及30°,30°為所設(shè)計(jì)造型凹坑孔的最大張角,當(dāng)夾角為30°時(shí),凸起峰值點(diǎn)的周向坐標(biāo)(Z方向坐標(biāo))已達(dá)到最大值,與變化起始點(diǎn)的周向坐標(biāo)保持一致,繼續(xù)增大模型張角,圓形冷卻孔外側(cè)的環(huán)形輪廓及造型凹坑孔的整體結(jié)構(gòu)都會(huì)發(fā)生改變。5種造型凹坑冷卻孔的凹坑深度都為2.3D,圖11展示了常規(guī)圓形冷卻孔結(jié)構(gòu)以及張角分別為18°、24°(原始結(jié)構(gòu))和30°的造型凹坑冷卻孔結(jié)構(gòu)。

(a)常規(guī)圓孔(b)18°凹坑孔

(c)24°凹坑孔 (d)30°凹坑孔圖11 常規(guī)圓孔與不同張角造型凹坑冷卻孔結(jié)構(gòu)Fig.11 Structures of conventional round hole and contoured crater hole with different angles

圖12為M=1時(shí)5種不同張角造型凹坑孔結(jié)構(gòu)與常規(guī)圓孔結(jié)構(gòu)壁面氣膜冷卻效率對(duì)比,其中張角為18°和21°的兩種結(jié)構(gòu)稱之為向內(nèi)收縮型凹坑孔,張角為27°和30°的結(jié)構(gòu)為向外擴(kuò)張型凹坑孔。相比于原始造型凹坑孔,向內(nèi)收縮型凹坑孔整體的冷卻效率有一定程度的降低,而兩種向外擴(kuò)張型凹坑孔的冷卻效率有所提高,說(shuō)明隨著張角的不斷增大,冷卻流體沿軸向的延伸性、沿周向的延展性及覆蓋面積都有一定程度的提高。5種不同張角造型凹坑冷卻孔結(jié)構(gòu)相比于常規(guī)圓孔結(jié)構(gòu)整體氣膜冷卻效率提升明顯,張角為30°的向外擴(kuò)張型凹坑孔在冷卻孔下游(3

(a)軸向中心線氣膜冷卻效率

(b)周向平均氣膜冷卻效率圖12 M=1時(shí)不同張角造型凹坑孔與常規(guī)圓孔氣膜冷卻效率對(duì)比Fig.12 Comparison of contoured crater holes with different angles and conventional round hole for film cooling effectiveness at M=1

圖13展示了M=1時(shí)不同張角造型凹坑孔結(jié)構(gòu)與常規(guī)圓孔壁面氣膜冷卻效率云圖對(duì)比。由圖可知:張角的增大可以提高冷卻孔附近區(qū)域的氣膜冷卻效率,增大壁面附近冷卻流體沿周向的擴(kuò)展程度及覆蓋面積,并且在下游較遠(yuǎn)區(qū)域仍然可以保持較高的氣膜冷卻性能;對(duì)于不同張角的凹坑結(jié)構(gòu)而言,向外擴(kuò)張型凹坑孔可以更有效地提高氣膜冷卻效率,擴(kuò)大冷卻流體在軸向及周向的影響范圍。所研究的5種結(jié)構(gòu)中,張角為30°的造型凹坑孔結(jié)構(gòu)壁面氣膜冷卻性能表現(xiàn)最優(yōu)。

(a)常規(guī)圓孔

(b)18°凹坑孔

(c)24°凹坑孔

(d)30°凹坑孔圖13 不同張角凹坑孔壁面氣膜冷卻效率分布Fig.13 Distributions of film cooling effectiveness on wall of contoured crater holes with different angles

(a)常規(guī)圓孔

(b)18°凹坑孔

(c)24°凹坑孔

(d)30°凹坑孔圖14 不同張角凹坑孔中截面T*分布Fig.14 Distributions of nondimensional temperature T* on contoured crater holes with different angles

圖14展示了M=1時(shí)不同張角凹坑孔與常規(guī)圓孔中軸面T*云圖對(duì)比。由圖可知:造型凹坑孔結(jié)構(gòu)可以有效抑制常規(guī)圓孔結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出的冷氣騰起現(xiàn)象,增強(qiáng)冷卻流體的附壁性,提高冷氣沿流向的擴(kuò)展程度;向外擴(kuò)張型凹坑孔可以更有效地降低主流與冷卻流的接觸界面,削弱高溫主流與冷卻流體的摻混作用,增強(qiáng)冷氣沿軸向的延伸性,從而進(jìn)一步地提高壁面氣膜冷卻效率;所研究的5種結(jié)構(gòu)中,張角為30°的造型凹坑孔結(jié)構(gòu)冷卻流體附壁性最優(yōu),冷氣耗散的最緩慢,并且沿軸向的影響范圍最廣。

(a)常規(guī)圓孔

(b)18°凹坑孔

(c)24°凹坑孔

(d)30°凹坑孔 圖15 不同結(jié)構(gòu)凹坑孔Y/D=0.01截面渦量分量Wy分布Fig.15 Distributions of vorticity Wy on contoured crater holes with different angles at Y/D=0.01

圖15展示了M=1時(shí)不同張角的凹坑孔與常規(guī)圓孔在Y/D=0.01截面上渦量分量Wy云圖對(duì)比。由圖可知:對(duì)于常規(guī)圓孔結(jié)構(gòu),冷卻孔出口附近的腎形渦是影響壁面氣膜冷卻性能的主要因素,在腎形渦的作用下,冷卻流體沿流向的損失嚴(yán)重,沿周向的覆蓋效果不佳;隨著張角的不斷增大,造型凹坑孔所產(chǎn)生的反向腎形渦尺度不斷提升,在減少冷卻流體沿流向損失的同時(shí)提高了冷卻流體沿周向的覆蓋。向外擴(kuò)張型凹坑孔在原始造型凹坑孔的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步提升了冷卻流體沿周向的擴(kuò)散程度,張角為30°的造型凹坑孔結(jié)構(gòu)冷氣沿周向的覆蓋面積最大,影響范圍最廣,優(yōu)化壁面氣膜冷卻性能的程度最為顯著。

(a)冷卻孔附近三維流線圖

(b)冷卻孔附近流線主視圖圖16 不同張角凹坑冷卻孔附近區(qū)域的流線圖 Fig.16 Three-dimensional coolant streamlines around contoured crater holes with different angles

圖16展示了吹風(fēng)比為1時(shí),不同張角凹坑冷卻孔附近區(qū)域的三維流線及其主視圖。由圖可知:隨著結(jié)構(gòu)張角的增大,冷卻流流線沿周向的擴(kuò)展明顯增強(qiáng)(見圖16a中的A區(qū)域),冷卻流流線的展向高度不斷降低且沿周向不斷擴(kuò)展(見圖16a中的B區(qū)域);當(dāng)冷卻孔結(jié)構(gòu)為常規(guī)圓孔時(shí),冷卻流體的騰起現(xiàn)象嚴(yán)重,高溫主流迅速侵蝕壁面,但隨著造型凹坑孔結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)且張角的不斷增大,冷卻流體抬升的位置延后明顯,冷卻流體的附壁性逐漸增強(qiáng)并且可以影響到冷卻孔下游較遠(yuǎn)的區(qū)域(見圖16b中的C、D、E區(qū)域,虛線代表冷卻射流流向),增大了近壁面冷卻流體沿軸向的延伸及周向的擴(kuò)展。所研究的5種結(jié)構(gòu)中,張角為30°的造型凹坑孔結(jié)構(gòu)可以保護(hù)壁面在冷卻孔下游較遠(yuǎn)區(qū)域仍不受高溫主流的侵蝕,極大提升了冷卻流體對(duì)壁面的影響范圍,體現(xiàn)出了最優(yōu)的氣膜冷卻性能。

(a)常規(guī)圓孔(b)18°凹坑孔

(c)24°凹坑孔(d)30°凹坑孔圖17 不同張角凹坑孔X/D=1截面渦量分量Wx分布Fig.17 Distributions of vorticity Wx on contoured crater holes with different angles at X/D=1

圖17展示了不同張角凹坑孔與常規(guī)圓孔結(jié)構(gòu)在X/D=1截面上渦量分量Wx云圖對(duì)比。由圖可知:對(duì)于常規(guī)圓孔結(jié)構(gòu),軸向截面上的主要渦系結(jié)構(gòu)為腎形渦,而造型凹坑孔可以產(chǎn)生抑制腎形渦發(fā)展的反向腎形渦,對(duì)于不同張角的凹坑結(jié)構(gòu)而言,隨著張角的不斷增大,反向腎形渦對(duì)腎形渦的影響程度也逐漸加大,冷卻流體沿周向的延伸程度有明顯的提高。所研究的5種結(jié)構(gòu)中,張角為30°的造型凹坑孔結(jié)構(gòu)冷氣沿周向的延展程度最大,優(yōu)化壁面氣膜冷卻性能的效果最為顯著。

3 結(jié) 論

本文針對(duì)所設(shè)計(jì)的造型凹坑冷卻孔結(jié)構(gòu),研究了不同吹風(fēng)比(M=0.5,1,1.5)條件下造型凹坑孔深度(0.2D≤d≤2.7D)及張角(18°～30°)對(duì)壁面氣膜冷卻性能的影響,主要結(jié)論如下。

(1)相比于常規(guī)圓孔結(jié)構(gòu),造型凹坑孔結(jié)構(gòu)在射流管道的末端提供了一個(gè)膨脹腔室,有效降低了冷卻射流動(dòng)量,前緣的峰型凸起結(jié)構(gòu)可以增大冷卻流體在周向的擴(kuò)散,擴(kuò)展冷氣沿壁面的覆蓋面積。在流場(chǎng)結(jié)構(gòu)上,所設(shè)計(jì)的造型凹坑孔結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生颶風(fēng)渦以及與腎形渦方向相反的反向腎形渦,抑制腎形渦的發(fā)展,有效減緩冷卻流體的抬升,使冷氣更好地覆蓋在高溫壁面。

(2)隨著凹坑深度的不斷增加,冷卻射流沿展向的動(dòng)量逐漸降低,沿周向的動(dòng)量逐漸增大,壁面附近冷卻流體的周向覆蓋范圍逐漸擴(kuò)展,冷卻流體抬升的位置逐漸延后。當(dāng)凹坑深度增加到2.3D時(shí),繼續(xù)增加凹坑深度,壁面整體的氣膜冷卻效率無(wú)明顯變化,最終認(rèn)定所設(shè)計(jì)造型凹坑冷卻孔結(jié)構(gòu)的最優(yōu)凹坑深度為2.3D。相比于常規(guī)圓孔結(jié)構(gòu),具有最優(yōu)深度的造型凹坑在3種吹風(fēng)比(M=0.5,1,1.5)條件下,靠近冷卻孔區(qū)域(X/D<3)周向平均氣膜冷卻效率分別提高了100%以上、400%以上和近500%;冷卻孔下游區(qū)域(3

(3)所設(shè)計(jì)的5種造型凹坑冷卻孔結(jié)構(gòu),相比于原始造型結(jié)構(gòu),向內(nèi)收縮型凹坑孔降低了壁面氣膜冷卻性能,而向外擴(kuò)張型凹坑孔更有效地提升了壁面氣膜冷卻性能。張角的增大擴(kuò)大了冷卻流體在軸向及周向的影響范圍,增強(qiáng)了冷卻流體的附壁性,削弱了高溫主流與冷卻流體的摻混作用及腎形渦的強(qiáng)度和尺度,有效地提升了壁面氣膜冷卻性能。張角為30°的向外擴(kuò)張型凹坑孔在冷卻孔下游(3