不同組合方式雙排孔射流氣膜冷卻特性研究

鐘雅婷，汪 才，楊 歡，蔡 鑫

(1.中航工業(yè)成都飛機(集團)有限公司，成都 610073；2.沈陽航空航天大學，沈陽 110136)

1 引言

為了使燃氣輪機可以在高溫環(huán)境下正常、安全可靠地運行，渦輪葉片通常采用復(fù)雜的冷卻結(jié)構(gòu)以降低葉片表面溫度[1-3]。其中，多采用氣膜冷卻和沖擊冷卻，為此國內(nèi)外科研機構(gòu)對氣膜冷卻和沖擊冷卻進行了廣泛、深入的探究。李左飆等[4]根據(jù)深度學習原理，設(shè)計了一種基于多層感知器模型(MLP)的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，建立了絕熱氣膜冷卻效率的預(yù)測模型，該模型在快速評估冷卻布局性能方面具有較好的應(yīng)用前景。孟通等[5]通過實驗及數(shù)值計算，驗證了渦輪葉片氣膜冷卻效率疊加計算的適用性。為了解冷氣噴射對渦輪葉片前緣氣膜冷卻特性的影響，雷云濤等[6]對圓柱形前緣雙排孔氣膜冷卻進行了全三維N-S 方程數(shù)值模擬，計算域網(wǎng)格采用FNM 形式的多塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，研究了射流與主流的流動機理，分析了不同吹風比下對壁面冷卻效率的影響。張子陽等[7]為發(fā)揮氣膜冷卻中各結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，數(shù)值模擬研究了雙排氣膜孔順逆組合形式對溝槽表面氣膜冷卻效率影響。Kiani 等[8]研究了平面和曲面上三重冷卻孔的幾種布置方式，根據(jù)流動和幾何參數(shù)，確定了4 種不同類型的渦流相互作用和不同的冷卻機制。Dupuy 等[9]提出了用專用邊界條件來模擬氣膜冷卻射流的方法，該方法雖有一定缺陷，但與基線均勻模型相比，非均勻湍流注入方式冷卻效果十分可觀。

近年來，有學者以不同氣孔形狀、氣膜孔角度為切入點，對氣膜冷卻效率的影響進行了較為細致的研究。肖坤等[10]針對橢圓形氣膜孔冷卻機理進行研究，結(jié)果表明橢圓氣膜孔對孔內(nèi)噴射效應(yīng)有著較好的抑制作用；操郢等[11]針對扇形氣膜孔進行了有關(guān)氣熱耦合的研究；成鋒娜等[12]通過數(shù)值模擬，對不同氣膜孔角度下葉尖氣膜冷卻效率進行了對比，發(fā)現(xiàn)氣膜孔流向角度會使下游氣膜冷卻效率大幅增加；Kozyulin 等[13]以35°傾角的橢圓噴嘴冷卻裝置為研究對象，采用數(shù)值模擬方法對平板氣膜冷卻效率影響進行了探究，結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)會提高氣膜冷卻的整體效果。

縱觀近年來國內(nèi)外相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，針對氣膜冷卻排列方式與效率的研究較少且不夠深入，尋求氣膜冷卻結(jié)構(gòu)機理，優(yōu)化氣膜冷卻孔間方式，對氣膜冷卻的發(fā)展尤為重要。本文根據(jù)實際工況，通過數(shù)值模擬，分析研究了上游孔順向射流+下游孔順向射流、上游孔順向射流+下游孔逆向射流、上游孔逆向射流+下游孔順向射流、上游孔逆向射流+下游孔逆向射流共4 種不同組合結(jié)構(gòu)的氣膜冷卻特性，旨在揭示不同組合方式對雙排孔射流氣膜冷卻效率產(chǎn)生的影響，為后續(xù)有關(guān)提高氣膜冷卻效率的研究奠定基礎(chǔ)。

2 計算方法

2.1 模型及網(wǎng)格劃分

共研究了上游孔順向射流+下游孔順向射流、上游孔順向射流+下游孔逆向射流、上游孔逆向射流+下游孔順向射流、上游孔逆向射流+下游孔逆向射流4 種射流氣膜冷卻模型。由于模型在展向呈對稱分布，為減少網(wǎng)格數(shù)量，取其中的一個對稱結(jié)構(gòu)進行計算。圖1 展示了上游孔逆向射流+下游孔逆向射流氣膜冷卻模型的基本結(jié)構(gòu)。氣膜孔直徑D=10 mm，主體通道總長45.0 D，寬2.5 D，高5.0 D。每個氣膜孔下均連接冷氣腔，冷氣通道與主流通道呈30°傾斜角，兩相鄰氣膜孔中心距橫向為6.0 D，縱向為5.0 D，主流入口距離第一排孔中心距離為10 D。每個模型網(wǎng)格數(shù)量約97 萬，以逆向射流+逆向射流氣膜冷卻模型為代表，部分重要部位網(wǎng)格如圖2～圖4 所示。

圖1 上游孔逆向射流+下游孔逆向射流氣膜冷卻模型Fig.1 Film cooling model of upstream forward jet+downstream reverse jet

圖2 冷卻疊加區(qū)底面網(wǎng)格(俯視)Fig.2 Bottom grid of cooling superposition area (top view)

圖3 邊界層附近網(wǎng)格(加密處理)Fig.3 Grid densification near boundary layer

圖4 冷卻通道網(wǎng)格Fig.4 Cooling channel grid

2.2 邊界條件與收斂條件

通過計算流體力學展開討論，建立控制微分方程。采用Realizable 模型，在二維笛卡爾坐標系中，湍流流動控制微分方程如下[14]。

動量方程：

能量方程：

連續(xù)方程：

k方程：

ε方程：

計算模型的邊界條件為：基于氣膜孔直徑的雷諾數(shù) Re=16 759；主流溫度330 K，二次流溫度300 K；空氣密度 ρ=1.177 kg/m3，主流入口速度30 m/s，設(shè)吹風比M 為0.3、0.8、1.4 時，二次流速度分別為 μ1=0.353 43 m/s、μ2=0.942 48 m/s、μ3=1.649 34 m/s。利用Fluent 對N-S 紊流時均運動方程進行求解，速度和壓力的耦合采用Simple 算法處理，各參數(shù)的離散采用二階精度的迎風格式。壓力修正方程、連續(xù)方程、動量方程、K和ε方程都實施亞松弛因子。解收斂的判斷標準是相對殘差小于10-5，殘差不再明顯減小，且氣膜孔下游1 倍孔徑處監(jiān)控的量不隨時間變化。

3 計算結(jié)果與分析

根據(jù)邊界條件展開計算，分別討論展向平均氣膜冷卻效率(ηave)與摻混流場計算結(jié)果，如圖5～圖8 所示。可看出，吹風比為0.3 時，上游孔順向射流+下游孔順向射流結(jié)構(gòu)展向平均氣膜冷卻效率最高，達0.15 左右。這是因為低吹風比下，具有逆向射流的雙排孔射流氣膜冷卻結(jié)構(gòu)中，二次流與主流在短時間內(nèi)發(fā)生劇烈摻混，且二次流速度遠小于主流速度，在摻混過程中高溫燃氣迅速將二次流低溫冷氣吞噬包圍，使二次流低溫冷氣無法在壁面上形成氣膜；而順向二次流低溫冷氣可以在壁面形成氣膜，將高溫燃氣與壁面分離開，冷卻效果得以提升。吹風比為0.8 和1.4 時，上游逆向射流+下游順向射流結(jié)構(gòu)在疊加區(qū)展向平均氣膜冷卻效率最高，達0.24 左右。其原因是高吹風比下，二次流冷氣射入速度提高，流量增大，上游孔逆向射流與主流高溫燃氣發(fā)生劇烈摻混，導(dǎo)致冷氣快速在壁面形成質(zhì)量較高的冷氣膜，已經(jīng)被削弱能量的主流高溫燃氣更加難以穿過冷氣膜對壁面造成損害。

圖5 不同吹風比下展向平均氣膜冷卻效率Fig.5 Spanwise average film cooling efficiency under different blowing ratios

圖6 吹風比0.3 時射流展向平均氣膜冷卻效率Fig.6 The jet spanwise average film cooling efficiency when the blowing ratio is 0.3

圖8 吹風比1.4 時射流展向平均氣膜冷卻效率Fig.8 The jet spanwise average film cooling efficiency when the blowing ratio is 1.4

根據(jù)圖6～圖8 可知，上游孔順向射流+下游孔順向射流氣膜冷卻底面冷效分布效率最高，在吹風比1.4 時比吹風比0.3 時要高出原效率81%。但也能明顯看到，雙排孔射流氣膜冷卻的一個缺點，即兩排孔射流之間互相沖擊擠壓，造成后方壁面不能完全被冷氣膜覆蓋，導(dǎo)致冷卻效率下降。不難看出，整個冷卻結(jié)構(gòu)中，雙排孔附近氣膜冷卻效率最高，且由于主流高溫燃氣與二次流冷氣短時間內(nèi)發(fā)生劇烈摻混，導(dǎo)致大面積二次流冷氣路徑紊亂、發(fā)生回旋，使氣膜冷卻范圍增大。這一現(xiàn)象主要出現(xiàn)在上游氣膜孔之后、下游氣膜孔之前。上游孔順向射流+下游孔順向射流氣膜冷卻在高吹風比下，冷卻效率明顯較帶有逆向射流氣膜冷卻結(jié)構(gòu)的下降，這是由于高吹風比下，二次流冷氣穿透效果明顯增強，與主流高溫氣體發(fā)生了劇烈摻混，展向覆蓋面積增加，形成面積較大的冷氣膜。而順向二次流冷氣無法與主流高溫燃氣發(fā)生劇烈摻混、形成范圍較大的冷氣膜，導(dǎo)致氣膜冷卻效率不高。這也是在大型加工設(shè)備或航空航天領(lǐng)域，不采用上游孔順向射流+下游孔順向射流氣膜冷卻結(jié)構(gòu)的主要原因。

圖9～圖11 給出了不同吹風比下，葉片射流摻混流場圖。圖中，θ 為過余溫度。當吹風比為0.3時，上游孔逆向射流+下游孔逆向射流氣膜冷卻效果最差，上游孔順向射流+下游孔順向射流氣膜冷卻效果最好，上游孔順向射流+下游孔逆向射流和上游孔逆向射流+下游孔順向射流氣膜冷卻效果在兩者之間。這是因為冷氣噴射與主流氣體摻混形成旋渦，在阻擋主流氣體的同時，向下的旋渦將冷氣帶到壁面上，順向射流與冷氣沖擊主流氣體產(chǎn)生的旋渦相互作用，使其貼壁面流經(jīng)路程更長，效率得到很大提升。當吹風比為0.8 或1.4 時，上游孔順向射流+下游孔順向射流氣膜冷卻效果最差，上游孔逆向射流+下游孔順向射流氣膜冷卻效率最好，上游孔順向射流+下游孔逆向射流和上游孔逆向射流+下游孔逆向射流氣膜冷卻效果在這兩者之間。其原因是，冷氣噴射與主流氣體摻混形成的旋渦將主流氣體帶離壁面，相對于其他3 種流場，上游孔順向射流+下游孔逆向射流流場旋渦更加強烈，強烈的旋渦產(chǎn)生極大的吸力，把冷氣聚集在壁面附近，使冷卻效率顯著提高。

圖9 吹風比0.3 時射流摻混流場圖Fig.9 The distribution of jet mixing flow field when the blowing ratio is 0.3

圖10 吹風比0.8 時射流摻混流場圖Fig.10 The distribution of jet mixing flow field when the blowing ratio is 0.8

4 結(jié)論

(1)低吹風比下，順向射流結(jié)構(gòu)的雙排孔射流氣膜冷卻效率較高。其中，順向射流+順向射流結(jié)構(gòu)展向平均氣膜冷卻效率最高，可達到0.15左右。高吹風比下，逆向射流結(jié)構(gòu)的雙排孔射流氣膜冷卻效率較高。其中，逆向孔射流+順向孔射流結(jié)構(gòu)展向平均氣膜冷卻效率最高，可達到0.24左右。

(2)高吹風比下，除上游孔順向射流+下游孔順向射流結(jié)構(gòu)外，氣膜冷卻效率都要比低吹風比下的氣膜冷卻效率高。其中，上游孔逆向射流+下游孔順向射流效率變化最為明顯，在吹風比1.4 時比吹風比0.3 時要高出原效率81%。

(3)逆向射流比順向射流在底面擴散區(qū)域更加廣闊。

(4)不同射流結(jié)構(gòu)在不同吹風比下有著完全不同的優(yōu)缺點，在工程實際應(yīng)用中，應(yīng)全面考慮后再提出冷卻方案。