气膜冷却叶片上扩散型冷却孔对紊流流场的影响

带有护散型冷却孔的气膜冷却叶版是新开发的结构，用于具有很市初始温度（1700℃）的氢气燃气轮机，名古屋工业大学流体机械实验室在日本首次对该结构的流场进行了研究。用垂直型和X型的热线测量了流场，获得了主流方向平均速度，紊流强度和雷诺剪应力，在沿下游方向和展向方向的平面里分别整理了实验数据，证实了扩散冷却孔对改善燃气轮机膜冷却紊流流场的效果。     

带有前缘气膜冷却燃气轮机叶片的气热耦合研究(英文)

使用气热耦合数值计算方法对带有"淋浴喷头"式前缘气膜冷却的C3X燃气轮机叶片进行数值模拟。通过对使用不同湍流模型的计算结果与实验测量值进行对比,使用转捩模型能够比较准确的模拟带有气膜冷却射流的边界层内的流动和传热过程。气膜冷却射流在叶片吸力面上游层流边界层区域内表现出比较明显的三维湍流特性,但在吸力面下游边界层转捩为湍流以后,湍流使得气膜冷却射流与主流燃气掺混过程加速而使其三维流动特性迅速消失;在吸力面由于边界层流动始终为层流状态,冷却射流与主流掺混较缓慢而使其仍能保持较强的三维湍流特性。边界层内由高温燃气与被冷却叶片之间温度差形成的温度梯度有益于增强边界层流动的稳定性。     

二次流动对气冷涡轮叶栅流场的影响

针对典型跨声速高压涡轮叶型平面叶栅吸力面单排孔气膜冷却,采用数值模拟方法,比较分析了加入气膜冷却前后流场变化。结果表明,由于二次流动的影响,加入气膜冷却以后吸力面后部接近下壁面处没有受到冷气保护而直接暴露于主流高温燃气,在实际高压涡轮中将极大的降低叶片寿命。没有气膜冷却情况下,吸力面接近下壁面处边界层仍有可能因受到二次流动的影响发生转捩;加入气膜冷却情况下,气膜孔中心位置下游边界层由于射流和主流的相互作用将转变为湍流边界层,而由于孔间距的影响,只有射流和主流充分掺混以后才能影响到整个叶片的范围。     

主流攻角对双射流孔气膜冷却特性的影响

应用压力敏感漆技术,在平板上测量了不同主流攻角(i=-30°,-20°,-10°,0°,10°,20°,30°)下双射流孔的气膜冷却效率,并利用计算流体动力学(CFD)计算得到的流场对气膜冷却效率的规律进行了解析。所研究的双射流孔结构的孔间无量纲横向距离为0.5,孔间无量纲流向距离为3;射流与主流密度比为1.0,吹风比分别为0.5、1.0、1.5、2.0。结果表明小的主流攻角(i=-10°,0°,10°)下,流场中存在反肾型涡对或挤压作用,气膜层与壁面贴附良好,气膜冷却效率最高;大正值攻角(i=20°,30°)下,虽然气膜覆盖面积大,但反肾型涡对退化,气膜冷却效率下降;大负值攻角(i=-20°,-30°)下,流场中有肾型涡对,且气膜横向覆盖受限,气膜冷却效率最低。     

气膜冷却流场的实验研究和数值模拟的分析

用Ｘ型双丝热线探头对扇形气膜孔射流下游流场的测量结果表明，湍流因射流的注入而显著增强，并存在十分明显的各向非同性。传统的应力和速度梯度的涡粘关系仍然适用于气膜冷却流场，但应该在不同的方向上分别对湍流粘性系数进行修正。标准ｋ－ε湍流模型可成功地模拟孔内流动和流向倾角α较小时的掺混气膜冷却流场，但在α较大时的孔中线附近区域内的流场模拟是不成功的，并导致冷却效率的模拟失败。     

边倒圆型气膜孔流动换热特性研究

为提高涡轮叶片气膜冷却效率,根据主流与射流间的相互作用关系,并以圆柱型气膜孔为基础,在气膜孔出口前缘位置进行边倒圆处理,同时对该新型的边倒圆型气膜孔结构进行了实验及数值计算研究。分析了边倒圆型气膜孔的流动换热机理,得到了新型气膜孔下游全表面气膜冷却特性分布及气膜孔的流量系数。结果表明:边倒圆型气膜孔内流动均匀,出口涡强度有所降低,进而能够减弱主流通道内的反转对涡强度;同时由于边倒圆孔的扩张作用使得射流法向动量降低、展向动量增强,从而提高气膜冷却效率。边倒圆型气膜孔的孔下游区域气膜贴壁性较好,气膜展向覆盖面积较大。相比于圆柱型气膜孔,边倒圆型气膜孔下游区域换热系数较高,远孔区域换热系数较小。新型气膜孔的流量系数比圆柱型气膜孔约大5%,孔内流动损失较小。整体上看,边倒圆型气膜孔具有较好的流动换热特性。     

间隙射流对端壁冷却和传热特性影响的研究

采用数值求解三维Reynolds-averaged Navier-Stokes(RANS)方程和k-ω湍流模型,研究了间隙射流对燃气轮机叶片端壁冷却和传热特性的影响。通过数值结果与实验数据的比较,验证了数值方法的正确性。在此基础上,研究了间隙射流质量流量比、间隙射流角度对端壁流动结构、气膜冷却性能以及传热特性的影响规律。结果表明,受到端壁二次流结构的限制,冷却气体主要集中在叶片前部吸力面侧。当间隙射流质量流量比小于1%时,会发生主流入侵现象,从而削弱前缘马蹄涡,并且会增加通道喉部区域的热负荷;随着质量流量比的增加,端壁气膜覆盖面积增大,而当射流质量流量比大于1%时,主流入侵现象消失,间隙射流将增强前缘马蹄涡,提高端壁前部的传热,并且减少端壁前部热负荷。随着间隙射流角度的增加,射流引起的分离涡增强,导致端壁前部的传热增强,而端壁气膜有效度降低,端壁热负荷增加。特别是在质量流量比为1.5%时,射流角度从30°增大到90°时,端壁平均气膜有效度减小53.4%。     

利用横向槽改善气膜冷却效率的数值研究

为了获得横向槽对气膜冷却效率的影响规律,采用数值模拟方法分别研究了横向槽出口有无斜坡两种冷却结构形式在不同吹风比条件下的流动过程和冷却效率分布情况,并与常规气膜孔冷却结构形式进行了对比,以揭示横向槽对改善气膜冷却效率的机理。研究表明:在横向槽的作用下,射流向主流的垂直扩散受到抑制,二次流在流出横向槽后能更好的贴覆绝热壁面,提高了气膜冷却效率,并且横向槽出口有斜坡的气膜冷却结构在气膜孔中心线上的冷却效率最好。     

涡轮叶片上收缩-扩张形孔排的全表面气膜冷却特性

为了摸清新型收缩-扩张形孔在涡轮叶片上的气膜冷却特性,采用一种可进行全表面测量的稳态液晶测量技术测量了收缩-扩张形孔排在涡轮叶片模型上的气膜冷却效率分布。研究了基于叶片弦长的主流雷诺数和二次流-主流流量比对冷却效率的影响,并与叶片上圆柱形孔排的气膜冷却效率分布进行了对比。结果表明:受叶栅通道涡作用,两种孔排的射流轨迹在吸力面呈聚敛状;在压力面则呈发散状;但通道涡对收缩-扩张形孔排射流的影响较弱。收缩-扩张形孔排在吸力面和压力面上的气膜覆盖范围和冷却效率都远大于圆柱形孔排,而且收缩-扩张形孔排的冷却效率随流量比的增大而增大;在压力面上,叶片型面结构使得收缩-扩张形孔排以及圆柱形孔排的气膜覆盖效果好于吸力面。在本文的实验雷诺数范围内,主流雷诺数对收缩-扩张形孔排的冷却效率分布特征以及冷却效率数值大小的影响都很小。     

超声速涡轮叶栅超声速气膜冷却数值研究

为了研究超声速涡轮叶栅通道内的超声速气膜冷却,采用数值计算的方法,对主流压比2.33~4、冷气入射角度15°~45°条件下的涡轮叶栅超声速气膜流动和传热进行了研究。计算结果表明:超声速气膜射流与主流作用后产生的斜激波与尾缘激波交汇,形成两道反射激波,其中一道反射激波作用在气膜孔下游的叶片表面又形成了反射;在不同的主流压力下,超声速气膜射流在叶片法向和展向上展现出不同的发展特征,对转涡对(CVP)在展向上相互挤压,扼制了高温主流卷入叶片壁面;主流压比增加到4,气膜射流区在法向拉长,在展向相对较弱,导致主流在对转涡对(CVP)的作用下被卷入气膜射流的底层,壁面冷却效率降低;气膜入射角从15°增大到45°,冷却效率整体上呈先上升后下降趋势,在入射角30°时冷却效率相对最大,这与射流的穿透能力、冷却气流再覆壁面特征有关。     

全覆盖气膜孔阵列方式对冷却特性的影响

运用标准k-ε湍流模型对不同吹风比下正菱形、长菱形和超长菱形三种气膜孔阵列方式的多孔全覆盖气膜冷却的气膜出流流场特性、气膜绝热冷却效率和气膜综合冷却效率进行了数值模拟对比研究.结果表明:气膜孔阵列超长菱形排布是较优的排布方案,在该排布方式下,气膜出流向主流的穿透相对较弱,气膜沿展向的覆盖率也较高,因而气膜绝热冷却效率相对最高;气膜孔排布方式对气膜综合冷却效率的影响规律与气膜绝热冷却效率的基本一致,超长菱形排布仍然是较优的排布方案.      

离散孔结构超声速气膜冷却数值模拟

为了得到气膜入口结构对气膜冷却效率的影响规律,并为工程应用提供参考,针对不同形状气膜入口结构的离散孔超声速气膜冷却展开了三维数值模拟。结果表明:气膜入口结构对气膜冷却效率影响明显,轴对称孔入口收敛段结构的流量系数直接影响冷却效果,计算工况下流量系数降低013下游冷却效率约降低005,应该防止收敛段剧烈收缩;同时,离散孔扩张段面积变化速率越小越有利于冷却,变化过快会使得冷却剂得不到充分发展,垂直主流方向的速度分量大,使得气膜往两侧流动而中心区域冷却效果变差;在非轴对称离散孔出口增加平直段能使射流更集中,可以有效防止气膜在上游被穿透造成冷却恶化现象。      

气膜孔内局部堵塞对气膜冷却特性的影响

在吹风比为0.3~1.5,堵塞比为0.1~0.5范围内,对平板上单排倾斜气膜孔内局部堵塞所引起的冷气射流流动和冷却特性变化进行了数值研究,分析了堵塞比、堵塞位置和吹风比对绝热气膜冷却效率的影响.在研究参数范围内的研究结果表明:气膜孔出口端前缘的局部堵塞有利于抑制肾形涡,对气膜孔下游的绝热气膜冷却效率有改善作用,并且随着堵塞比和吹风比的增加,对冷却效果的改善越为明显.而在气膜孔出口端尾缘或侧边的堵塞则在较大的堵塞比下削弱气膜冷却效果.相对于气膜孔出气端的局部堵塞,在气膜孔进气端和中部的堵塞对绝热气膜冷却效率的影响要微弱得多.     

不同横槽结构对气膜冷却效率影响的数值研究

在不同吹风比下,对几种带有横槽的离散孔气膜冷却结构的流动过程和气膜冷却效率进行了数值模拟,分析了在相同槽深的情况下,宽槽、窄槽和斜槽对冷却效率的影响;并将斜槽的模拟结果与异型孔的结果进行了对比.结果表明:在横槽的作用下,由于面积的突扩,使得气膜孔射流向主流的穿透能力有所降低;在横槽下游,二次流能够更好地贴附壁面,气膜冷却效率有一定的提高;在低吹风比下,斜槽冷却效果明显,而在高吹风比下,窄槽冷却效果较明显;斜槽的气膜孔冷却效果优于异型孔;宽槽内出现了横向涡,窄槽内出现了涡锥,斜槽内出现了反向涡对,槽下缘处的固壁对冷却气流的横向扩散有重要作用.      

扩展型面排孔气膜冷却的实验

设计了三种型面的气膜孔扩展结构,研究了气膜冷却效率、壁面换热系数及流量系数随吹风比的变化规律.研究结果表明,与典型的圆柱形气膜孔相比,有后向扩展型面的气膜孔具有相对较高的冷却效率和换热系数,流量系数略有降低.扩展型面的流向扩展角对冷却效率和换热系数的影响大于侧向扩展角的影响.侧向扩展角只在特定吹风比下才对提高气膜的侧向覆盖率、进而提高气膜冷却效率起作用,它使得位于二次流出流下游的低压区域范围增大,流量系数减小.      

气膜孔形状对导叶冷却效果影响的数值研究

根据导向叶片的曲面结构,运用剪应力输运方程(SST)湍流模型,针对簸箕形、锥形和缝形气膜孔的流场和冷却特性同圆形气膜孔进行了对比研究.研究结果为:随着冷气入口压力的增加,各种冷却结构的冷却效果也在增加;而在相同的冷气入口压力条件下,各种形状气膜孔的冷却流量和冷却效果不尽相同,在该研究条件下,簸箕形和缝形气膜孔的冷却效果最好,锥形孔次之.      

涡轮导叶前缘多排孔冷气掺混数值模拟

针对某三维扭转冷却涡轮导叶在前缘开设3排冷却孔,冷却孔流向夹角均为90°,径向射流角分别为30°,60°和90°,分别采用点源项与真实孔射流两种方法对前缘冷却孔气动性能和冷却特性进行了对比研究,分析了点源项与真实孔冷气掺混机制以及不同径向射流角对叶栅通道流场和冷却特性的影响.结果表明:真实冷却孔射流对前缘附近约10%轴向弦长范围内的流动影响较大,冷却效果涵盖了整个导叶;点源项方法所得压力与非冷却涡轮很接近;冷气径向喷射角减小,真实孔模型导叶表面温度下降了8%~16%,而点源项模型导叶表面温度降低了21%~23%.在工程实际中不能将点源项法计算结果用作定量评估依据.      

Isothermal study of effusion cooling flows using a large eddy simulation approach

An isothermal numerical study of effusion cooling flow is conducted using a large eddy simulation(LES) approach.Two main types of cooling are considered,namely tangential film cooling and oblique patch effusion cooling.To represent tangential film cooling,a simplified model of a plane turbulent wall jet along a flat plate in quiescent surrounding fluid is considered.In contrast to a classic turbulent boundary layer flow,the plane turbulent wall jet possesses an outer free shear flow region,an inner near wall region and an interaction region,characterised by substantial levels of turbulent shear stress transport.These shear stress characteristics hold significant implications for RANS modelling,implications that also apply to more complex tangential film cooling flows with non-zero free stream velocities.The LES technique used in the current study provides a satisfactory overall prediction of the plane turbulent wall jet flow,including the initial transition region,and the characteristic separation of the zero turbulent shear stress and zero shear strain locations.Oblique effusion patch cooling is modelled using a staggered array of 12 rows of effusion holes,drilled at 30° to the flat plate surface.The effusion holes connect two channels separated by the flat plate.Specifically,these comprise of a channel representing the combustion chamber flow and a cooling air supply channel.A difference in pressure between the two channels forces air from the cooling supply side,through the effusion holes,and into the combustion chamber side.Air from successive effusion rows coalesces to form an aerodynamic film between the combustion chamber main flow and the flat plate.In practical applications,this film is used to separate the hot combustion gases from the combustion chamber liner.The numerical model is shown to be capable of accurately predicting the injection,penetration,downstream decay,and coalescence of the effusion jets.In addition,the numerical model captures entrainment of the combustion chamber mainstream flow towards the wall by the presence of the effusion jets.Two contra-rotating vortices,with axes of rotation along the stream-wise direction,are predicted as a result of this entrainment.The presence and characteristics of these vortices are in good agreement with previous published research.      

LES of film cooling for different jet fluids

The present paper investigates the impact of the velocity and density ratio on the turbulent mixing process in gas turbine blade film cooling.A cooling fluid is injected from an inclined pipe at α=30° into a turbulent boundary layer profile at a freestream Reynolds number of Re∞=400000.This jet-in-a-crossflow(JICF) problem is investigated using large-eddy simulations(LES).The governing equations comprise the Navier-Stokes equations plus additional transport equations for several species to simulate a non-reacting gas mixture.A variation of the density ratio is simulated by the heat-mass transfer analogy,i.e.,gases of different density are effused into an an air crossflow at a constant temperature.An efficient large-eddy simulation method for low subsonic flows based on an implicit dual time-stepping scheme combined with low Mach number preconditioning is applied.The numerical results and experimental velocity data measured using two-component particle-image velocimetry (PIV) are in excellent agreement.The results show the dynamics of the flow field in the vicinity of the jet hole,i.e.,the recirculation region and the inclination of the shear layers,to be mainly determined by the velocity ratio.However,evaluating the cooling efficiency downstream of the jet hole the mass flux ratio proves to be the dominant similarity parameter,i.e.,the density ratio between the fluids and the velocity ratio have to be considered.      

冷却孔非均匀排布波纹板隔热屏冷却特性仿真

为了更加合理地分配冷却气体流量，提高纵向波纹板隔热屏结构的气膜冷却效率，提出了非均匀孔排布局波纹板隔热 屏结构，即保持开孔率不变，构建了上游波纹结构气膜孔排布密集、下游波纹结构气膜孔排布稀疏的非均匀结构。在发动机真实 工况下，采用数值仿真的方法研究了非均匀孔排方式对沿程冷却气体流量分配特性和气膜冷却特性的影响规律，揭示了振幅比变 化对波纹板隔热屏冷却效果的影响规律。结果表明：前密后疏型非均匀孔排布局可以改变冷却气体在隔热屏不同位置处的出流 量，从而显著提高隔热屏的气膜冷却效率。在气膜孔孔参数以及开孔率不变时，增大隔热屏上游孔排密度既可以提高隔热屏上游 的冷却效果，又不会明显降低隔热屏下游的冷却效果，使隔热屏整体面平均气膜冷却效率有所提高，相比于均匀孔排结构，前密后 疏孔排布局最高可使隔热屏面平均气膜冷却效率提高12.66%；在相同工况下，当振幅比从0.035增大至0.075时，隔热屏的面平均 气膜冷却效率显著提高，最高可使其面平均气膜冷却效率提高16.32%。