異側(cè)多級旋流冷卻結(jié)構(gòu)對橫流抑制及強化傳熱的影響

肖坤,董光辰,豐鎮(zhèn)平

(1.西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,710049,西安;2.陜西省葉輪機械及動力裝備工程實驗室,710049,西安)

現(xiàn)代燃氣輪機為了獲得更高的熱效率,燃氣輪機的壓比和燃燒溫度不斷提高,導(dǎo)致透平部件進口的燃氣溫度增加,遠高于葉片材料所能承受的耐熱極限[1],因此必須應(yīng)用先進冷卻技術(shù)保護葉片,減少高溫燃氣帶來的損害。旋流冷卻技術(shù)作為一種新型先進且高效的冷卻方式,具有優(yōu)良的流動和傳熱特性,得到了廣泛的關(guān)注與研究。

目前,旋流冷卻的原理與影響旋流冷卻性能的因素已得到比較深入的實驗及數(shù)值研究。Kreith等[2]在1959年首次提出利用高速旋流帶來的高徑向壓力梯度減薄熱邊界層,從而可大幅提高壁面的傳熱系數(shù)。Hay等[3]首次實驗研究了應(yīng)用于葉片前緣冷卻的旋流冷卻結(jié)構(gòu),指出冷卻氣體旋流強度的增大可以顯著提高壁面的傳熱系數(shù)。Hedlund等[4-5]應(yīng)用紅外探測技術(shù)實驗研究了不同溫比和雷諾數(shù)下旋流腔的傳熱,得到了傳熱關(guān)聯(lián)式并探索了旋流腔內(nèi)部剪切渦和Gortler渦對的相互影響。Biegger等[6]通過數(shù)值模擬仿真研究了旋流冷卻的流動和傳熱特性,并和實驗數(shù)據(jù)進行了比較。研究指出,旋流腔壁面附近較高的速度和壓力梯度是旋流冷卻高換熱強度的主要因素,同時在旋流腔內(nèi)部觀察到了流動分離現(xiàn)象。Novotny等[7]通過數(shù)值模擬仿真研究了圓管內(nèi)部的旋流流動,發(fā)現(xiàn)在雷諾數(shù)較高的流動發(fā)生了渦流的破裂,流動中可能會發(fā)生軸向回流,同時速度場的重新分布和朝向出口旋流強度的降低影響了旋流的雷諾數(shù)。

旋流腔的幾何參數(shù)、結(jié)構(gòu)布置和冷卻工質(zhì)的氣動參數(shù)對于旋流冷卻技術(shù)有著重要的影響。Biegger等[8]實驗研究了旋流腔出口形式對于旋流冷卻的影響,結(jié)果表明旋流冷卻的傳熱強度是相同條件軸向管流的4倍以上,同時發(fā)現(xiàn)所研究的出口重定向?qū)τ诹鲌龊蛡鳠釓姸葲]有顯著的影響。Liu等[9-12]通過數(shù)值模擬研究了噴嘴的高度、長寬比、射流角度以及噴嘴之間距離等參數(shù)對于旋流冷卻流動和傳熱特性的影響規(guī)律。杜長河等[13-16]通過數(shù)值模擬仿真研究了旋流腔幾何參數(shù)、冷卻氣體氣動參數(shù)、采用蒸汽冷卻介質(zhì)和旋轉(zhuǎn)對于旋流冷卻的影響。結(jié)果表明噴嘴長寬比為1,角度為90°時能產(chǎn)生最好的綜合冷卻效果。隨著冷卻氣體雷諾數(shù)的增加,旋流冷卻的換熱強度有明顯的增加。采用蒸汽作為冷卻介質(zhì)能夠進一步提高冷卻潛力。當冷卻氣體來流溫比增大時,換熱強度略有降低。與此同時還得到了靜止和旋轉(zhuǎn)條件下傳熱關(guān)聯(lián)式,能夠預(yù)測旋流冷卻特性。

Biegger等[17]通過數(shù)值模擬仿真研究了單噴嘴和多噴嘴對于旋流冷卻流動和換熱的影響。研究結(jié)果表明,如果需要高的壓力損失下帶來的最大熱傳遞,應(yīng)該選擇單一入口的旋流腔。如果需要較低但是更加均勻的傳熱強度和較低的壓力損失,則應(yīng)該選擇具有多個入口的旋流腔。Luan等[18]通過數(shù)值模擬仿真研究了變橫截面旋流腔內(nèi)部旋流冷卻的流動和換熱特性。研究指出,漸縮旋流腔具有最高的換熱性能,同時還獲得了全局平均努塞爾數(shù)、雷諾數(shù)和溫比之間的經(jīng)驗相關(guān)性。Wang等[19]通過數(shù)值模擬仿真研究了拔模斜度對于旋流冷卻的影響,隨著拔模斜度的增加,旋流冷卻的換熱強度增加,壓降和氣動損失減小。Liu等[20]通過數(shù)值模擬仿真研究了圓管內(nèi)表面有凹陷的旋流冷卻的傳熱和壓力損失特性。研究結(jié)果表明,管內(nèi)表面的凹陷降低了管內(nèi)表面的平均換熱系數(shù),但是由于換熱面積的提高以及旋流和凹陷的配合作用,管內(nèi)的總換熱量得到了提高,同時相比于光滑旋流腔壓力損失也有所下降。

旋流冷卻中旋流腔內(nèi)部橫流影響了冷卻系統(tǒng)的換熱能力,研究人員為了解決這一問題進行了研究。Xiao等[21-22]研究了梯形旋流腔及變角度射流噴嘴對橫流抑制和傳熱的影響,進一步強化了旋流冷卻的傳熱性能。李菲[23]通過數(shù)值分析方法研究了旋流腔內(nèi)橫流的形成機理,并提出了一種帶環(huán)肋的新型旋流腔模型來抑制橫流的不利影響,增強了靶面?zhèn)鳠?。Yao等[24]在傳統(tǒng)單級旋流冷卻結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上引入了多級旋流冷卻結(jié)構(gòu),提高了旋流腔的傳熱強度,與此同時也帶來了更高的壓力損失。

相比于傳統(tǒng)的單級旋流冷卻結(jié)構(gòu),多級旋流冷卻結(jié)構(gòu)能夠有效地抑制橫流并提高傳熱強度,但是級間轉(zhuǎn)換區(qū)域結(jié)構(gòu)的設(shè)置會帶來一定的負面影響。這是由于冷卻氣體在這一區(qū)域生成大量的角渦結(jié)構(gòu),帶來了較大的流動損失,影響了冷卻氣體的流動。流體流線在旋流腔末端保持螺旋狀流動的趨勢,如果噴嘴位置調(diào)整至符合流體旋向的方向,將會改善這一區(qū)域的流動特性。針對以上問題,本文提出了一種新型的異側(cè)多級旋流冷卻結(jié)構(gòu),采用數(shù)值模擬的方法研究了異側(cè)多級旋流冷卻結(jié)構(gòu)對橫流抑制與強化傳熱的影響。異側(cè)多級旋流冷卻結(jié)構(gòu)在對級間連接區(qū)域的流場進行優(yōu)化的同時,也可以體現(xiàn)多級旋流冷卻結(jié)構(gòu)適應(yīng)葉片前緣熱負荷變化的優(yōu)勢,以期提高旋流冷卻技術(shù)。

1 計算模型和數(shù)值方法

圖1給出了本文所研究的3種旋流冷卻結(jié)構(gòu)模型。圖1(a)是依據(jù)參考文獻[25]中的實驗設(shè)備幾何參數(shù)生成的單級旋流冷卻結(jié)構(gòu)模型,冷卻氣體通過6個切向噴嘴射入旋流腔形成大尺度旋流。圖1(b)是在單級旋流冷卻結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進行改進得到的二級旋流冷卻結(jié)構(gòu)模型。多級旋流冷卻結(jié)構(gòu)在單級旋流冷卻結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上保持冷卻腔、旋流腔和噴嘴的位置與參數(shù)不變,將旋流腔分為若干個獨立的級,同時根據(jù)分級需求對相應(yīng)結(jié)構(gòu)進行調(diào)整。與單級冷卻結(jié)構(gòu)相比,冷卻氣體不是同時通過全部6個噴嘴射入旋流腔,而是在每一級中的噴嘴射入旋流腔,之后全部流入下一級再重新射入旋流腔。圖1(c)是在現(xiàn)有二級旋流冷卻結(jié)構(gòu)模型上進一步提出的異側(cè)多級旋流冷卻結(jié)構(gòu)模型,在多級旋流冷卻結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進行修改,保持冷卻腔、旋流腔和噴嘴的軸向位置與參數(shù)不變,將第1級旋流腔末端級間噴嘴和第2級旋流腔射流噴嘴調(diào)整至原有切向位置關(guān)于旋流腔中心ZX截面的鏡像位置。為了討論的方便起見,將旋流腔射流噴嘴沿Z軸正方向從1到6編號。

(a)單級 (b)二級 (c)異側(cè)多級

圖2給出了3種旋流腔的幾何尺寸和三視圖。旋流腔直徑用D表示;單級旋流冷卻結(jié)構(gòu)旋流腔和冷卻腔的長度分別用LVC和LCC表示;冷卻腔的寬和高分別用W和H表示;噴嘴的長、寬、高分別用l、w和s表示;相鄰兩個射流噴嘴間的距離用E表示。對于多級旋流冷卻結(jié)構(gòu),旋流腔級之間的距離用e表示,具體的尺寸見表 1。6個噴嘴軸向的中心位置見表2。

表1 旋流腔三維尺寸

表2 噴嘴軸向的中心位置

(a)單級模型

本文算例邊界條件的信息見表3。數(shù)值計算采用理想氣體作為旋流冷卻結(jié)構(gòu)的冷卻氣體,將所有的流動視為可壓縮的。冷卻腔進口根據(jù)研究所需要的冷卻氣體雷諾數(shù)設(shè)置進口質(zhì)量流量,進口溫度保持在288.15℃,噴嘴的表面設(shè)為絕熱。

表3 旋流冷卻計算邊界條件

本文采用旋流腔直徑D定義冷卻氣體雷諾數(shù)Re,表達式如下

(1)

式中:ρ為冷卻氣體密度;U為入口平均速度;μ為冷卻氣體動力黏性系數(shù)。

局部努塞爾數(shù)定義如下

(2)

式中:qw為傳熱壁面熱流密度;h為傳熱系數(shù);λ為冷卻氣體導(dǎo)熱系數(shù)。

旋流腔進出口的總壓差定義為

ΔP=Pt,in-Pt,out

(3)

式中:Pt,in為進口總壓;Pt,out為出口總壓。

壓力損失系數(shù)定義如下

(4)

式中,Pt,l為局部總壓。

本文計算結(jié)果為穩(wěn)態(tài)解,采用ANSYS CFX軟件進行數(shù)值模擬。數(shù)值計算過程中采用更高分辨率的二階格式提高計算精度。為確保數(shù)值計算結(jié)果收斂,計算迭代直到所有方程的均方根殘差小于10-5,監(jiān)測變量均保持穩(wěn)定。網(wǎng)格的劃分采用ICEM CFD網(wǎng)格生成軟件進行。為了提高求解的精度以及加快求解的速度,旋流腔的模型采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行劃分。圖3給出了旋流腔網(wǎng)格示意圖。旋流腔主體采用H型網(wǎng)格進行劃分,旋流腔軸向的橫截面區(qū)域采用O型網(wǎng)格進行劃分,在旋流腔和噴嘴相交部分的類三角形區(qū)域采用了Y型網(wǎng)格來進一步提高網(wǎng)格質(zhì)量。邊界層通過對近壁面區(qū)域網(wǎng)格加密處理,滿足第一層的無量綱距離值y+<1.0,邊界層增長率為1.1。進行網(wǎng)格無關(guān)性分析時,所選取的計算網(wǎng)格節(jié)點數(shù)分別為200萬、300萬和400萬。在雷諾數(shù)為20 000的條件下,分別采用3種網(wǎng)格節(jié)點數(shù)計算了3種模型旋流腔內(nèi)部的表面平均努塞爾數(shù),結(jié)果見表4?？梢园l(fā)現(xiàn),300萬節(jié)點模型與400萬節(jié)點模型計算結(jié)果的差異小于0.5%。在保證計算結(jié)果準確的前提下,為了節(jié)約計算資源,本文選擇了300萬網(wǎng)格節(jié)點數(shù)的模型進行數(shù)值模擬。

表4 雷諾數(shù)為20 000時不同網(wǎng)格節(jié)點數(shù)模擬下的表面平均努塞爾數(shù)

圖3 旋流腔網(wǎng)格結(jié)構(gòu)示意圖

本文對標準k-ε、k-ω、RNGk-ε和SSTk-ω湍流模型進行了驗證,結(jié)果見表5。在湍流模型驗證的過程中,對于所有的數(shù)值模擬結(jié)果,邊界條件與參考文獻[25]中的實驗設(shè)置相同,計算周向平均努塞爾數(shù)并與參考文獻[25]中實驗結(jié)果進行對比,得到了如圖4所示的驗證結(jié)果。SSTk-ω湍流模型的模擬結(jié)果在所有區(qū)域都與實驗數(shù)據(jù)有較好的相似性。綜合模擬結(jié)果可以看出,SSTk-ω湍流模型的預(yù)測結(jié)果精度最高,因此本文的計算采用SSTk-ω湍流模型。

表5 4種湍流模型噴嘴出口位置周向平均努塞爾數(shù)模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)的偏差

圖4 湍流模型驗證結(jié)果

2 結(jié)果分析

2.1 流動結(jié)構(gòu)

圖5給出了異側(cè)多級旋流冷卻結(jié)構(gòu)旋流腔內(nèi)部冷卻氣體的三維流線。對于單級旋流冷卻結(jié)構(gòu)的旋流腔,冷卻氣體從冷卻腔入口進入,通過均勻布置的6個噴嘴射入旋流腔。冷卻腔入口下游第1個噴嘴處的射流沿旋流腔壁面高速流動產(chǎn)生大尺度旋流。射流形成的流線束在噴嘴附近區(qū)域相互扭曲并向下游發(fā)展形成橫流,隨著橫流繼續(xù)沿流向發(fā)展,下游噴嘴的射流受到阻擋而偏斜,旋流腔內(nèi)部形成的螺旋狀橫流嚴重影響了下游射流的流動。

(a)單級旋流冷卻結(jié)構(gòu)

級數(shù)的增加對橫流起到了抑制作用。對于二級旋流冷卻結(jié)構(gòu),每一級冷卻氣體從噴嘴射入旋流腔的總體通流面積是單級冷卻結(jié)構(gòu)的50%,射流進入旋流腔具有更高的速度,穿透橫流向旋流腔靶面集中的能力也更強。橫流由于旋流腔長度的相對縮短,發(fā)展空間受到限制,其阻擋作用也被抑制。單級結(jié)構(gòu)中的下游噴嘴需要承受質(zhì)量流量為上游噴嘴射流總和的橫流影響,即第6個噴嘴受到5倍于自身質(zhì)量流量橫流的影響。多級結(jié)構(gòu)中每一冷卻級內(nèi)部的噴嘴數(shù)下降,對于二級結(jié)構(gòu)的噴嘴射流最多只會受到2倍于自身質(zhì)量流量橫流的影響,橫流對于射流的阻擋被極大地削弱了。

在現(xiàn)有的二級旋流冷卻結(jié)構(gòu)中,冷卻氣體主流在旋流腔內(nèi)部沿軸向方向螺旋前進,在第1級旋流腔末端被迫進入與主流旋向相反的級間噴嘴,產(chǎn)生了大量的流動損失。冷卻氣體通過第1級旋流腔末端出口噴嘴后流動更接近于自由射流,進入第2級冷卻腔后產(chǎn)生復(fù)雜的渦流結(jié)構(gòu),在級間噴嘴附近的下游區(qū)域沿軸向流向具有偏離射流噴嘴的趨勢,進一步影響到第2級旋流腔上游噴嘴位置的旋流強度。雖然沒有橫流干擾,但是由于噴嘴附近復(fù)雜的流動結(jié)構(gòu),第2級旋流腔上游噴嘴射流并不能很好地集中沖刷旋流腔靶面,影響到這一區(qū)域的換熱強度。

對于異側(cè)多級旋流冷卻結(jié)構(gòu),改變第1級旋流腔末端噴嘴的切向位置后,級末出口更加貼合旋流腔內(nèi)部大尺度螺旋狀旋流的旋向,削弱了旋流腔末端出現(xiàn)的湍流結(jié)構(gòu),流線束進入第2級冷卻腔的扭曲程度減弱,流動損失得到控制。修改過后的異側(cè)結(jié)構(gòu)中,冷卻氣體進入第2級冷卻腔后保留了旋流腔中橫流的螺旋狀流動特征,流動結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定,減少了級間轉(zhuǎn)換區(qū)域的流動損失。由于第2級冷卻腔內(nèi)部流場的改善,第2級旋流腔噴嘴射流流線扭曲程度減弱,射流得以更好地集中沖刷旋流腔靶面,增強旋流換熱能力。

圖6給出了雷諾數(shù)為20 000時旋流腔XY截面上噴嘴中心位置的冷卻氣體流線和速度云圖。由于異側(cè)結(jié)構(gòu)對于級間連接結(jié)構(gòu)的改良,相比于原有的同側(cè)結(jié)構(gòu),第2級旋流腔內(nèi)部旋流在靶面更加集中,邊界層厚度減小。異側(cè)結(jié)構(gòu)對于噴嘴橫截面流場的結(jié)構(gòu)沒有顯著影響,但是可以看到在旋流腔的下游區(qū)域,高速區(qū)面積增加,旋流強度有一定的提高。

(a)單級旋流冷卻結(jié)構(gòu)

2.2 壓力損失

圖7給出了雷諾數(shù)為20 000、30 000、40 000時異側(cè)多級旋流冷卻結(jié)構(gòu)和原有的同側(cè)結(jié)構(gòu)、傳統(tǒng)的單級結(jié)構(gòu)旋流腔進出口總壓差的對比情況。通過數(shù)據(jù)可以看出,壓力損失隨著雷諾數(shù)的提高而提高。在相同的雷諾數(shù)下,壓力損失隨著級數(shù)的增加而急劇增加。多級旋流冷卻結(jié)構(gòu)中額外的壓力損失主要包括兩個因素。首先,在相同工況下,多級冷卻結(jié)構(gòu)中的冷卻氣體具有更高的速度,導(dǎo)致壓力損失的提高。其次,多級旋流冷卻結(jié)構(gòu)的布局復(fù)雜,旋流腔級與冷卻腔級之間布置的噴嘴顯著增大了冷卻氣體的流動阻力,冷卻氣體在級與級之間流動的過程產(chǎn)生了大量的額外阻力。

圖7 異側(cè)結(jié)構(gòu)對旋流腔內(nèi)部壓力損失的影響

異側(cè)多級旋流冷卻結(jié)構(gòu)一定程度上減少了多級旋流冷卻結(jié)構(gòu)的壓力損失,對于二級旋流冷卻結(jié)構(gòu)減少了22%的壓力損失。異側(cè)結(jié)構(gòu)中第1級旋流腔末端的級間噴嘴切向位置貼合旋流腔內(nèi)部螺旋狀主流的旋向,冷卻氣體在通過級間噴嘴進入下一級冷卻腔的過程中可以沿著原有的螺旋方向直接進入噴嘴,在進入冷卻腔后部分保留原有的流動特征,流動結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定,復(fù)雜的渦流結(jié)構(gòu)減少。沿程壓力損失雖然沒有被完全削減,但是通過改變布局的方法已經(jīng)得到了很大的改善。

圖8所示為雷諾數(shù)為20 000時的旋流腔壓力損失系數(shù)分布圖?？梢园l(fā)現(xiàn),壓力損失系數(shù)沿冷卻氣體流向增大,且在噴嘴出口位置有所下降。這是因為冷卻氣體通過噴嘴從冷卻腔射入旋流腔,噴嘴附近的壓力出現(xiàn)上升,而后沿流向逐漸減小。對于單級旋流冷卻結(jié)構(gòu),壓力損失主要源于旋流腔內(nèi)部流動的損失。對于多級旋流冷卻結(jié)構(gòu),級與級之間的壓力損失為主要因素。此外,在z<0.5 m的位置,即第一級旋流腔內(nèi)部,3種結(jié)構(gòu)的壓力分布是類似的,異側(cè)結(jié)構(gòu)的壓力損失系數(shù)趨勢與原有的同側(cè)布局相比沒有發(fā)生太大的變化。異側(cè)結(jié)構(gòu)對于壓力損失最大的優(yōu)化在于級間的壓力損失變化。隨著雷諾數(shù)的增大,這種優(yōu)化效果變得更加明顯。

圖8 旋流腔軸向壓力損失系數(shù)分布曲線

2.3 旋流腔噴嘴處的冷卻氣體分配

圖9給出了雷諾數(shù)為20 000、30 000、40 000時,旋流腔中計算得到的各個噴嘴質(zhì)量流量與冷卻結(jié)構(gòu)中冷卻氣體總質(zhì)量流量的比值(m/mc)的極差。對于異側(cè)多級旋流冷卻結(jié)構(gòu),冷卻氣體在噴嘴中的分配情況相比于原有的同側(cè)結(jié)構(gòu)有很大的變化。在雷諾數(shù)為20 000、30 000和40 000的工況下,異側(cè)結(jié)構(gòu)6個噴嘴中質(zhì)量流量比極差分別為3.15%、2.58%和2.35%,不僅相比于原有的同側(cè)結(jié)構(gòu)下降了約60%,甚至低于傳統(tǒng)的單級冷卻結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了比單級冷卻結(jié)構(gòu)更加均勻的冷卻氣體分配結(jié)果。

圖9 不同雷諾數(shù)下不同結(jié)構(gòu)的冷卻氣體分配差異

圖10給出了冷卻氣體在噴嘴中的質(zhì)量流量分配情況。對于單級旋流冷卻,供氣腔內(nèi)的壓力沿軸向幾乎保持不變,但是旋流腔內(nèi)受到摩擦效應(yīng)影響,壓力沿軸向逐漸降低。供氣腔和旋流腔的壓差逐漸增大,從而使得噴嘴流量沿軸向逐漸增加。隨著雷諾數(shù)的提高,冷卻氣體在噴嘴中分配的均勻度也隨之提高。異側(cè)結(jié)構(gòu)冷卻氣體分配最少的噴嘴為第1個噴嘴,符合單級冷卻結(jié)構(gòu)中m/mc沿軸向方向逐漸增大的現(xiàn)象。二級冷卻結(jié)構(gòu)中分配最少的第4個噴嘴的冷卻氣體量在異側(cè)結(jié)構(gòu)中被極大地改善了,新的連接結(jié)構(gòu)將第2級旋流腔的上游噴嘴流動結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化,實現(xiàn)了冷卻氣體分配的均勻化。

(a)雷諾數(shù)為20 000

異側(cè)結(jié)構(gòu)改變了級間轉(zhuǎn)換區(qū)域的噴嘴布置后,整體結(jié)構(gòu)更契合旋流腔螺旋狀流動的旋向。在原有的同側(cè)結(jié)構(gòu)中,冷卻氣體進入第2級冷卻腔時具有自由射流的特征,同時伴隨大量湍流,冷卻氣體主流在第2級冷卻腔軸向方向的流動有偏離噴嘴入口的趨勢。第4個噴嘴由于緊鄰第2級冷卻腔入口,受到冷卻氣體流動偏離的影響,射流的質(zhì)量流量出現(xiàn)顯著下降。改變了布局之后,冷卻氣體進入第2級冷卻腔的流動損失減弱,同時保留螺旋狀流動的特征,向冷卻腔下游繼續(xù)發(fā)展,通過第4個噴嘴。

此時如果級間噴嘴采用異側(cè)結(jié)構(gòu)的設(shè)計,而第2級旋流腔的射流噴嘴保留原有的同側(cè)結(jié)構(gòu)布置,由于冷卻氣體在第2級旋流腔內(nèi)部仍然有螺旋狀旋流的特征,位于主流旋向上的第4個噴嘴會接收到大量的冷卻氣體,使得6個噴嘴中質(zhì)量流量比極差急劇提升達到20%的水平。異側(cè)結(jié)構(gòu)將射流噴嘴設(shè)置在與級間噴嘴相同的切向位置避免了這一情況,將第4個噴嘴的冷卻氣體量提升到與同一級旋流腔下游噴嘴的相同水平,極大地改善了冷卻氣體分配的均勻度情況。

2.4 傳熱特性

圖11給出了雷諾數(shù)為20 000、30 000、40 000時,旋流腔靶面位置的局部努塞爾數(shù)分布情況。冷卻氣體在噴嘴出口以較高的周向速度沖刷旋流腔靶面,形成較高的徑向壓力梯度,導(dǎo)致熱邊界層減薄,顯著提高了換熱強度。噴嘴射出的冷卻氣體高速射流與旋流腔內(nèi)部的主流產(chǎn)生了強烈的剪切碰撞,提高了流動的湍流強度,從而形成了噴嘴出口區(qū)域帶狀的高努塞爾數(shù)區(qū)域。在通過噴嘴出口區(qū)域后,隨著旋流腔內(nèi)部流動的發(fā)展,流體沿軸向方向向下游螺旋前進,與旋流腔壁面不斷發(fā)生摩擦,導(dǎo)致周向速度減小,換熱強度下降,形成了噴嘴出口之間的低努塞爾數(shù)區(qū)域。對于單級旋流冷卻結(jié)構(gòu)的旋流腔,由于前文所提到的冷卻氣體在各個噴嘴中質(zhì)量流量分配的不均勻,下游區(qū)域的努塞爾數(shù)更高,但由于橫流的阻擋導(dǎo)致這一區(qū)域的傳熱強度實際上是有所下降的。對于二級旋流冷卻結(jié)構(gòu)的旋流腔,在大部分位置的努塞爾數(shù)都要高于相同雷諾數(shù)下的單級冷卻結(jié)構(gòu)。二級冷卻結(jié)構(gòu)的努塞爾數(shù)分布更加均勻,噴嘴之間的低努塞爾數(shù)區(qū)域得到了改善,尤其在上游區(qū)域可以明顯看到噴嘴間的低努塞爾數(shù)區(qū)域消失了。

(a)雷諾數(shù)為20 000時的單級結(jié)構(gòu)旋流腔

對于異側(cè)多級旋流冷卻結(jié)構(gòu)的旋流腔,位于第2級旋流腔上游的第4個噴嘴位置處的努塞爾數(shù)顯著提高,這是由于異側(cè)結(jié)構(gòu)對于級間連接部分的改良影響了這一區(qū)域的流動,冷卻氣體進入第4個噴嘴的質(zhì)量流量明顯提高,流動損失的減小也提高了第4個噴嘴射流的傳熱強度。

圖12給出了雷諾數(shù)為20 000、30 000、40 000時,異側(cè)多級旋流冷卻結(jié)構(gòu)和原有的同側(cè)結(jié)構(gòu)、傳統(tǒng)的單級結(jié)構(gòu)旋流腔壁面周向平均努塞爾數(shù)的分布情況。雖然多級冷卻結(jié)構(gòu)的周向平均努塞爾數(shù)相比于單級冷卻結(jié)構(gòu)有所提高,但級數(shù)的增加對于旋流腔下游區(qū)域傳熱的增強并不明顯。這是由于多級冷卻結(jié)構(gòu)對于旋流腔影響最大的區(qū)域主要集中在上游區(qū)域,這一部分冷卻氣體的質(zhì)量流量和湍流強度等相比于單級冷卻結(jié)構(gòu)都有較大提高。多級冷卻結(jié)構(gòu)下游區(qū)域的工況與單級冷卻結(jié)構(gòu)是類似的,全部的冷卻氣體匯集到第5個和第6個噴嘴所在的下游區(qū)域,這一部分多級冷卻結(jié)構(gòu)造成的影響相對較小。

對于異側(cè)多級旋流冷卻結(jié)構(gòu)的旋流腔,周向平均努塞爾數(shù)在6個噴嘴的位置出現(xiàn)峰值,在相鄰噴嘴之間的區(qū)域出現(xiàn)周向平均努塞爾數(shù)的谷值,與原有的同側(cè)結(jié)構(gòu)保持相似的趨勢。由于異側(cè)結(jié)構(gòu)對于級間連接部分的改良,第4個噴嘴位置的努塞爾數(shù)峰值有明顯的提高。同時,由于第4個噴嘴冷卻氣體質(zhì)量流量的提高,下游區(qū)域獲得的冷卻氣體量下降,導(dǎo)致異側(cè)結(jié)構(gòu)的第2級旋流腔下游的努塞爾數(shù)有一定的下降,但并不顯著。異側(cè)結(jié)構(gòu)的總體換熱效果更加平均,通過圖像可以看出異側(cè)結(jié)構(gòu)的換熱能力相比于原有的同側(cè)結(jié)構(gòu)有一定的提升。

3 結(jié) 論

本文提出了一種新型的異側(cè)多級旋流冷卻結(jié)構(gòu)模型,目的在于保留多級旋流冷卻結(jié)構(gòu)優(yōu)點的同時進一步改善流動結(jié)構(gòu)與傳熱能力,探究多級旋流冷卻結(jié)構(gòu)的流場結(jié)構(gòu)、壓力損失、旋流腔噴嘴處的冷卻氣體分配和傳熱強度分布。本文在現(xiàn)有的多級旋流冷卻方案研究的基礎(chǔ)上進一步探究了多級冷卻結(jié)構(gòu)對于橫流抑制的機理和影響規(guī)律,并針對多級冷卻結(jié)構(gòu)中較高的壓力損失和不均勻的冷卻氣體分配提出了一種新型的異側(cè)多級旋流冷卻結(jié)構(gòu)布局,通過研究得出以下結(jié)論。

(1)異側(cè)多級旋流冷卻結(jié)構(gòu)優(yōu)化了下級旋流腔上游區(qū)域的流動結(jié)構(gòu),增強了冷卻氣體在下級冷卻腔射入旋流腔穿透橫流集中沖刷旋流腔靶面的能力,改善了旋流冷卻的換熱能力。

(2)異側(cè)多級旋流冷卻結(jié)構(gòu)針對多級冷卻結(jié)構(gòu)級間壓力損失巨大的特點進行了優(yōu)化,相比于二級冷卻結(jié)構(gòu)減少了22%的壓力損失,并且隨著雷諾數(shù)的增大這一優(yōu)化效果更加明顯。沿程壓力損失雖然沒有被完全削減,但是通過改變布局的方法已經(jīng)得到了很大的改善。

(3)異側(cè)多級旋流冷卻結(jié)構(gòu)旋流腔噴嘴處的冷卻氣體分配更加均勻,不僅優(yōu)于原有的同側(cè)結(jié)構(gòu),相比于傳統(tǒng)的單級冷卻結(jié)構(gòu)冷卻氣體分配極差更是下降了40%,在高雷諾數(shù)下這一優(yōu)勢更為明顯。

(4)異側(cè)多級旋流冷卻結(jié)構(gòu)對于旋流腔內(nèi)部總體換熱情況有一定改善。異側(cè)結(jié)構(gòu)對于級間連接結(jié)構(gòu)進行了改良,調(diào)整了第2級旋流腔上游區(qū)域的流動結(jié)構(gòu),第2級旋流腔上游噴嘴位置處的努塞爾數(shù)有顯著的提高,在保留多級冷卻結(jié)構(gòu)大幅改善上游旋流腔級換熱性能優(yōu)勢的同時,進一步提高了下游旋流腔級的換熱能力。