異型擾流-狹縫氣膜層板結(jié)構(gòu)的冷卻特性分析

張強(qiáng)，吉洪湖，梁萌，朱強(qiáng)華

(1. 南京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，江蘇 南京 210016；2. 南昌航空大學(xué)，江西 南昌 330063)

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪導(dǎo)向葉片直接受到高溫燃?xì)獾臎_擊，尤其是葉片前緣部位。渦輪葉片材料的耐高溫性能達(dá)不到現(xiàn)代高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)的需求，葉片高溫和葉片顫振[1]一樣對(duì)其壽命構(gòu)成威脅，所以必須對(duì)渦輪導(dǎo)向葉片采用冷卻技術(shù)。

層板冷卻集沖擊冷卻、氣膜冷卻、對(duì)流換熱冷卻等多種冷卻方式于一體，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、冷卻效率優(yōu)秀[2]。郭瑞[3]對(duì)渦輪導(dǎo)向葉片前緣整體采用層板冷卻結(jié)構(gòu)，通過(guò)改變不同的流動(dòng)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比研究。梁萌[4]提出了一種新型層板冷卻結(jié)構(gòu)，并通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。研究結(jié)果顯示該結(jié)構(gòu)取得了一定的冷卻效果，但其研究只考慮了氣動(dòng)特性，沒(méi)有考慮傳熱。由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，所需冷氣量較小，局部冷卻效果好，但對(duì)于大面積的燃燒室壁面其冷卻效果不如薛雙松[5]的多孔壁層板結(jié)構(gòu)。本文對(duì)該層板結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，在擾流柱通道前方區(qū)域增設(shè)10個(gè)氣膜斜孔，使冷氣進(jìn)口延伸至燃?xì)獬隹谖恢貌⑶以谄渖戏皆黾記_擊板與沖擊腔，旨在應(yīng)用流固耦合傳熱特性于渦輪導(dǎo)向葉片前緣局部區(qū)域。其優(yōu)點(diǎn)在于使得葉片內(nèi)部冷氣腔小部分面積引出冷氣，可以冷卻葉片前緣外部較大部分區(qū)域。由于渦輪導(dǎo)向葉片前緣是弧形結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部的層板結(jié)構(gòu)也呈彎曲型結(jié)構(gòu)。本文為了研究層板的基本特性，將彎曲層板結(jié)構(gòu)拉成平板形狀進(jìn)行研究。對(duì)9種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的層板結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到了一種冷卻效果最優(yōu)的層板結(jié)構(gòu)。

1 物理模型

1.1 冷卻模型結(jié)構(gòu)

層板結(jié)構(gòu)中有一定形狀的擾流柱(共3種形狀，每個(gè)層板結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)其中一種)，并且分為3列和4列兩種布置方法，狹縫出口有兩種角度。通過(guò)正交試驗(yàn)合理分析，選出9種具有代表性的冷卻模型進(jìn)行討論分析。先介紹9種模型中的一種，如圖1所示，然后給出其他8種模型的具體結(jié)構(gòu)。

圖1 層板結(jié)構(gòu)

層板前方設(shè)置10個(gè)氣膜斜孔，氣膜孔與x方向的夾角為30°且氣膜孔直徑均為0.7mm；沖擊孔A、B為層板內(nèi)擾流柱通道進(jìn)氣口，擾流柱通道出口為傾斜狹縫Slot-A、Slot-B。本文有3個(gè)不同形狀的擾流柱如圖2所示。

圖2 3種擾流柱形狀

每種擾流柱有3種尺寸。菱形擾流柱以圖3中兩條黑線之間夾角β的大小來(lái)衡量。擾流柱高度均為0.8mm。3個(gè)尺寸的菱形擾流柱具有相同的當(dāng)量直徑D1=1.385mm。

圖3 菱形擾流柱角β的定義

圓形擾流柱的尺寸直徑是d，分別有d1=1.4mm、d2=1.2mm、d3=1.0mm。梅花形的尺寸以圖4中兩條黑色線之間夾角α的大小來(lái)衡量。

圖4 梅花形擾流柱角的定義

3個(gè)尺寸具有相同的當(dāng)量直徑D2=1.246mm。3種不同尺寸擾流柱角α的大小分別為60°、45°和30°。所有尺寸梅花形擾流柱的四瓣圓形直徑均為0.7mm。

每種擾流柱有兩種排列方式。擾流柱排列分為3列和4列兩種方法，梅花形擾流柱兩種布置方式如圖1(b)所示。

本文為9種模型進(jìn)行了統(tǒng)一編號(hào)。編號(hào)采取5位形式，每一位對(duì)應(yīng)著一種因素及其水平數(shù)。第1位表示擾流柱形狀，有R、C和Q 3種，分別代表菱形、圓形和梅花形；第2位表示擾流柱尺寸，有B1、B2和B33個(gè)，其數(shù)值隨擾流柱形狀的改變而改變；第3位是擾流柱通道進(jìn)氣口直徑，有I1、I2和I33個(gè)，分別對(duì)應(yīng)1.2mm、1.5mm和1.8mm；第4位是擾流柱布置方式，含M4和M3兩種，分別代表4列和3列的擾流柱布置；第5位是冷氣出口傾斜角度，有O1和O2兩種，分別代表30°和45°。9種異型擾流層板-狹縫氣膜冷卻結(jié)構(gòu)模型的編號(hào)如表1所列。

表1 異型擾流層板-狹縫氣膜冷卻結(jié)構(gòu)模型編號(hào)

1.2 計(jì)算模型與邊界條件

計(jì)算模型如圖5所示，在層板結(jié)構(gòu)上方構(gòu)建矩形的燃?xì)馔ǖ?，下方建立矩形的冷氣腔體和沖擊板、沖擊腔。該冷卻模型長(zhǎng)L=40.5mm，W=21.6mm，，燃?xì)馔ǖ栏邽镠1=5mm，層板結(jié)構(gòu)H2=2.4mm，沖擊腔的高度H3=1mm，沖擊板的厚度為H4=0.2mm，冷氣腔體高H5=3mm。低溫氣體首先進(jìn)入低溫腔體，氣流穿過(guò)小孔(沖擊板上)進(jìn)入沖擊腔，一部分冷氣通過(guò)10個(gè)氣膜斜孔進(jìn)入燃?xì)馇恢苯优c高溫燃?xì)鈸交?；另一部分通過(guò)下層壁上的兩個(gè)進(jìn)氣口A、B進(jìn)入冷卻層板內(nèi)部，隨后沿斜縫流出。

圖5 層板冷卻結(jié)構(gòu)流動(dòng)傳熱計(jì)算的計(jì)算域

邊界條件：

對(duì)于9個(gè)層板冷卻模型采用相同的邊界條件，設(shè)計(jì)狀態(tài)如下所述。

燃?xì)膺M(jìn)口設(shè)為壓力進(jìn)口：Pt=2 780.5kPa，燃?xì)膺M(jìn)口總溫Tt=1 984K。

燃?xì)獬隹诮o定壓力出口條件：出口壓力Pt1=1 541kPa。

冷卻氣體進(jìn)氣口給定壓力進(jìn)口邊界條件：Pt2=2 959.4kPa，冷氣進(jìn)口總溫Tt1=895K。

擾流柱通道壁面(含擾流柱表面、沖擊板外表面和氣膜板內(nèi)壁面)、沖擊孔壁面均設(shè)為流固耦合壁面，其他壁面均為絕熱壁面。

1.3 控制方程

笛卡兒坐標(biāo)系中，以張量形式表示的控制微分方程如下。

連續(xù)方程：

(1)

式中ui為時(shí)均速度。

動(dòng)量方程：

i,j,k=1,2,3

(2)

式中：μeff是有效黏性系數(shù)，一般情況下是溫度的函數(shù)；ρ為流體密度；ui、uj為湍流的脈動(dòng)速度。

能量方程：

(3)

導(dǎo)熱方程：

(4)

式中：Cwall為壁面材料的比熱容，Twall為壁面的溫度。

湍流計(jì)算按照SSTκ-ω模型。

1.4 網(wǎng)格劃分與網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

9種結(jié)構(gòu)模型采用混合網(wǎng)格劃分方法。圖6給出了網(wǎng)格圖。網(wǎng)格劃分時(shí)，在近壁區(qū)采用附面層網(wǎng)格，第一層網(wǎng)格距離壁面僅0.01mm，之后間距以比率1∶2增大。

圖6 層板冷卻結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分

對(duì)不同網(wǎng)格量模型兩個(gè)沖擊孔上表面中心連線的線上溫度分布進(jìn)行分析，當(dāng)網(wǎng)格量>370萬(wàn)時(shí)溫度分布基本不變，本文9種模型網(wǎng)格量均>370萬(wàn)。

1.5 結(jié)果分析截面

為了便于分析，將模型內(nèi)部流動(dòng)換熱細(xì)節(jié)作出兩個(gè)沿流向截面，如圖7所示。

圖7 冷卻結(jié)構(gòu)的分析截面

流向截面Plane-A、Plane-B在模型中的橫向位置在沖擊孔A、B中心。

2 結(jié)果與討論

文中以其中的一個(gè)R-B1-I1-M4-O1模型為例進(jìn)行詳細(xì)介紹，并給出各模型的參數(shù)對(duì)比和相應(yīng)結(jié)論。

2.1 層板結(jié)構(gòu)的流動(dòng)傳熱分析

層板熱側(cè)表面壁溫分布情況如圖8所示。在擾流柱區(qū)域和狹縫出口下游局部區(qū)域溫度較低。

圖8 層板熱側(cè)表面壁溫

溫度云圖顯示從前往后溫度先降低再上升，斜孔出口和狹縫出口之間的復(fù)合冷卻區(qū)域以及狹縫出口處區(qū)域溫度相對(duì)較低，其對(duì)應(yīng)的冷卻效率較高。其中狹縫出口溫度降低更加明顯，說(shuō)明狹縫氣膜冷卻效果很好。

冷卻空氣從沖擊腔內(nèi)通過(guò)沖擊孔進(jìn)入擾流柱通道。Plane-A截面的壓力速度場(chǎng)分布云圖和相應(yīng)的沖擊孔A區(qū)域的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。Plane-B與之類(lèi)似。

圖9 Plane-A截面壓力分布與沖擊孔A流場(chǎng)

冷氣從沖擊腔內(nèi)沿進(jìn)氣孔射入擾流柱冷卻通道，對(duì)擾流柱通道內(nèi)上壁面局部區(qū)域有沖擊效果。冷氣隨后沿壁面向周?chē)鲃?dòng)，向斜孔方向流動(dòng)的氣體在很小的范圍內(nèi)形成渦旋結(jié)構(gòu)。向擾流柱方向流動(dòng)的冷氣先沿通道上壁面流動(dòng)，碰到擾流柱后貼擾流柱壁面流動(dòng)，到達(dá)擾流柱底部后又向沖擊孔方向流動(dòng)，也形成了漩渦結(jié)構(gòu)。

2.2 9種層板冷卻結(jié)構(gòu)流動(dòng)與傳熱特性對(duì)比

表2、表3中所列的壁面溫度均為最高值，冷卻效率為平均冷卻效率。

表2 9種層板冷卻結(jié)構(gòu)流動(dòng)傳熱特性

表3 9種層板冷卻結(jié)構(gòu)流動(dòng)傳熱特性續(xù)表

3 結(jié)語(yǔ)

9個(gè)模型綜合起來(lái)看，第1個(gè)模型總壓損失最高，第3個(gè)模型R-B3-I3-M4-O1總壓損失系數(shù)最小，僅為0.26,其各壁面壁溫相對(duì)于其他模型來(lái)說(shuō)最低、換熱強(qiáng)度較高且平均冷卻效率最大。所以R-B3-I3-M4-O1模型冷卻效果最顯著。