双出口气膜孔冷却效率数值模拟

为了优化气膜冷却结构,通过数值模拟研究了一种新型气膜孔(由两个圆柱孔组成的双出口孔)的气膜冷却特性.利用Fluent软件对Navier-Stokes方程进行求解,湍流模型采用两方程Realizablek-ε模型和增强壁面函数处理.圆柱孔射流的冷却效率计算结果和实验数据吻合较好.双出口孔射流冷却效率计算结果表明,双出口孔射流有效地增加了冷气的径向覆盖范围,在吹风比为0.5时,次孔射流起到了减弱主孔出口对旋涡的作用;在吹风比为1.0和2.0时,次孔射流使主孔出口处的对旋涡消失.最高冷却效率对应的吹风比为1.0.双出口孔射流在提高冷却效率的同时,其加工难度较扩张形孔明显降低.      

轴向收敛造型对燃气涡轮叶栅端壁气膜冷却性能的影响

为有效评估轴向收敛造型对端壁气膜冷却性能的影响,数值研究了不同吹风比下,轴向收敛造型对跨声速燃气涡轮叶栅端壁上游双排离散孔绝热气膜冷却效率的影响。模拟某工业燃气涡轮真实运行工况（进口湍流度为16%、出口马赫数为0.85、出口雷诺数为1.5×106）,采用基于“两类热边界条件”模型的壁面传热系数和绝热冷却效率数值预测方法,比较分析了3种吹风比（1.0、2.5、3.5）下,简化平板端壁结构和轴向收敛造型端壁结构的端壁热负荷分布、绝热气膜冷却效率分布和近端壁二次流场结构,以及端壁上游气膜孔射流对叶片表面的二次冷却作用（幻影冷却）。结果表明:轴向收敛造型可以削弱马蹄涡强度,降低端壁热负荷,尤其是叶片肩部区域;轴向收敛造型可以显著增加端壁气膜覆盖范围和绝热气膜冷却效率,尤其在叶片前缘和压力面等难以冷却区域;随吹风比增加,轴向收敛造型对端壁气膜冷却特性的影响效果先增加后减小,在设计吹风比为2.5时,轴向收敛造型对端壁绝热气膜冷却效率的增强效果最显著（增加约35%）;轴向收敛造型显著增加叶片前缘和压力面幻影冷却面积,尤其是叶片前缘附近面积增加约100%（设计吹风比下,冷却区域达0.1倍叶高）,可有效减小叶片冷却的冷气需求流量。轴对称收敛端壁造型是进一步提高燃气涡轮叶栅端壁绝热气膜冷却效率、减小冷气流量,实现端壁高效冷却布局的有效技术途径。      

湍流度和吹风比对叶片前缘双出口孔射流冷却效率影响

为了探讨湍流度对一种新型气膜孔射流气膜冷却影响,利用商业软件提供的有限体积法求解N-S方程,对湍流度分别为0.4%、10%和20%时的双出口孔射流冷却效率进行数值模拟。吹风比变化范围为0.5到2.0。首先将圆柱孔射流冷却效率计算结果和实验数据进行了对比,二者吻合较好。计算得到了双出口孔射流气膜冷却下的流场、径向平均冷却效率。结果表明,湍流度和吹风比对冷却效率都有较大影响。湍流度为0.4%和10%时,最高冷却效率在吹风比1.0时获得;湍流度30%时,最高冷却效率在吹风比2.0时获得。吹风比0.5和1.0时,冷却效率随着湍流度的增加而降低;吹风比2.0时,冷却效率随着湍流度的增加而增加。     

双向扩张孔出口宽度对气膜冷却特性影响

采用窄带液晶瞬态测温技术,研究了圆柱孔和不同出口宽度双向扩张孔气膜冷却特性。主流雷诺数为6500,吹风比为1.0和2.0。双向扩张孔入口宽度为1.5倍孔径,出口宽度分别为1.5倍、2.0倍和2.5倍孔径。结果表明:吹风比为1.0时,出口宽度对气膜冷却效率和换热系数二维分布影响较小。吹风比2.0时,增加出口宽度不仅改变了气膜冷却效率和换热系数分布,还增大了径向平均冷却效率值,减小了径向平均换热系数值。双向扩张孔出口宽度增大到2.5倍孔径时,面平均冷却效率较圆柱孔增加118.2%,面平均换热系数降低14.3%。吹风比为2.0时,与圆柱孔相比,出口宽度增加逐渐改变了气膜冷却效率和换热系数二维分布。双向扩张孔出口宽度增大到2.5倍孔径时,面平均冷却效率增加了219.4%,面平均换热系数降低了27.2%。     

带锥形扩张支孔射流气膜冷却效率数值模拟

 为了探讨由圆柱孔和锥形支孔组成的双出口孔射流气膜冷却特性,利用商业软件对气膜冷却下的流场和温度场进行三维数值模拟。主流雷诺数为10 000,吹风比变化范围为0.5~2.0。计算得到了冷却效率云图、冷却效率径向平均值以及近壁面处流场和温度场分布。研究结果表明,圆柱形孔射流的冷却效率数值模拟结果和实验数据吻合得非常好,双出口孔射流的冷却效率相对于圆柱形孔射流的冷却效率明显提高,径向分布非常均匀。双出口孔射流的流动结构和单圆柱孔射流的流动结构明显不同。随着吹风比的增加,冷却效率增大。基于冷却效率的最佳吹风比为1.5。     

双出口气膜孔冷却效率实验

为了进一步理解双出口气膜孔的冷却特性,建立了气膜冷却效率实验台,通过红外测温技术研究了圆孔和4个不同次孔方位角的双出口孔在吹风比为0.3~2.0时的冷却效率.结果表明:和圆孔相比,次孔方位角为30°,45°,60°双出口孔能提高面平均冷却效率18%~37%.次孔方位角为30°双出口孔在低吹风比下提高冷却效率最显著,次孔方位角为60°双出口孔在高吹风比下提高冷却效率最显著.在研究的吹风比范围内,次孔方位角为45°双出口孔都能较显著地提高冷却效率,次孔方位角为75°双出口孔冷却效率低于圆孔冷却效率.     

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.     

收缩型双射流孔气膜冷却特性与损失机理

在兼顾气膜冷却效率的条件下，为了降低气膜冷却带来的气动损失，采用数值模拟的方法研究了双射流孔和收缩型双射流孔的气膜冷却特性。对比分析了不同吹风比（0.5～2.0）工况下气膜冷却效率和损失分布规律。结果表明：当吹风比高于1.0时，收缩型双射流孔促进冷气横向发展，冷却效率提高；当吹风比增加到2.0时，收缩型双射流孔可以防止冷气吹离壁面。与双射流孔相比，收缩型双射流孔入口冷气均匀加速，消除了孔内低速区造成的堵塞，流场趋于均匀，孔内损失明显降低，从而整体上降低了气膜冷却引起的总压损失。     

涡轮叶片前缘气膜冷却数值模拟

对具有双排气膜孔的涡轮叶片前缘进行了气膜冷却数值模拟,在吹风比M为0.5,1.0的情况下得到了相邻两排孔的流场和气膜冷却效率的分布规律,并将计算结果与实验进行了对比分析.结果表明:①在不同的吹风比下,两排孔的冷气射流运动非常复杂,冷却效率沿流向的分布都是非线性的;在M为1.0时,25°的小角度喷射气膜冷却效果较好.②利用两层k-ε湍流模型比传统的k-ε湍流模型数值预测的精确度高,可较好地模拟叶片前缘的气膜冷却特性.      

横向间距与密度比对双射流气膜冷却特性影响

使用压力敏感漆（PSP)测量技术对平板上的双射流气膜冷却结构进行了研究。双射流孔间横向距离分别为0、0.5、1.0;孔间流向距离保持为3.0。密度比分别为1.0、1.5、2.5,吹风比分别为0.5、1.0、1.5、2.0。研究了孔间横向距离与密度比对双射流气膜冷却效率的影响。结果表明:双射流孔间横向距离为0时,气膜横向覆盖受限;随横向距离增大,气膜覆盖范围增加;但在横向距离过大时,气膜覆盖变差。随密度比增加,射流吹离减弱,气膜冷却效率提高。在高密度比下,横向距离较大的双射流孔气膜冷却效率较高。      

次孔方位角对单入口-双出口孔射流气膜冷却效率影响

为了探讨次孔方位角对单入口-双出口孔射流气膜冷却效率的影响,利用商业软件提供的有限体积法求解Navier-Stokes方程,对次孔方位角分别为30°,45°,60°和90°的单入口-双出口孔射流冷却效率进行数值模拟.吹风比变化范围为0.5~2.0.研究了流场、气膜冷却效率和径向平均气膜冷却效率的变化规律.结果表明,相对于圆柱孔,单入口-双出口孔射流气膜冷却效率明显改进.基于气膜冷却效率的最佳次孔方位角度为45°,高于圆柱孔射流气膜冷却效率300%.吹风比越大,次孔方位角对气膜冷却效率的影响越明显.      

双出口孔射流气膜冷却换热特性数值模拟

为了优化气膜冷却结构,通过数值模拟研究了一种新型气膜孔(由两个圆柱孔组成的双出口孔)的气膜冷却换热特性。利用Fluent软件对N-S方程进行求解,湍流模型采用两方程realizable k-ε模型和增强壁面函数处理。重点研究了吹风比对气膜冷却换热系数、换热系数比和热流比的影响。结果表明,换热系数随吹风比增大而增大,随x/d增大而减小,气膜孔附近尤其明显。吹风比0.5和1.0时,换热系数比随x/d增大而减小;吹风比1.5和2.0时,换热系数比随x/d增大先减小后增大。在研究的吹风比范围,双出口孔射流气膜冷却起到了削减从燃气传入叶片热流的作用。吹风比从0.5增大到1.0,热流比减小;吹风比从1.0增大到2.0,热流比增大。热流比随x/d增大而增大,气膜冷却的冷却效果减小。     

孔内“喷射现象”影响气膜冷却流动传热机理

为了揭示气膜孔内不同“喷射现象”对气膜冷却流动传热的影响,在相同射流角基础上选取7种不同进气角的冷气腔以改变气膜孔内的“射流效应”,并对7种冷气腔在不同吹风比条件下进行了对比研究。结果表明:当进气角不为0°时,不同进气角会在气膜孔内产生不同的“喷射现象”。低吹风比时不同进气角的气膜冷却效率相差不大。随着吹风比的增加,不同进气角时的冷却效率存在很大差别。在吹风比为1.5,进气角不大于0°时冷气在孔外形成了强肾形涡;而当进气角大于0°时冷气在与高温主流相互作用后,上游低动量区的冷气会绕开下游高动量区冷气后贴附壁面,增大涡对之间的距离从而减弱相互增强的效应。相对于原始冷气腔,在吹风比为1.5,进气角为15°和30°时的平均气膜效率分别提高了约130%和70%。      

叶片前缘圆柱形孔和扩张形孔气膜冷却特性研究

采用考虑曲率影响的瞬态液晶测量技术测量了叶片前缘扩张形孔和圆柱形孔的气膜冷却特性,分析了不同孔形在不同平均吹风比下气膜冷却效率的局部分布特征及定量变化关系,结果表明:①与圆柱形孔相比,扩张形孔射流的覆盖面更大,主要覆盖区域的偏移角度更小;②圆柱形孔的平均冷却效率在不同测量区域内均随平均吹风比的增加先升高后下降,扩张形孔的平均冷却效率在孔排间区域随平均吹风比的增加单调升高,在第二排孔后区域各平均吹风比下基本一致;③在实验范围内,扩张形孔的展向平均冷却效率较高.      

双排簸箕形孔气膜冷却效率及其叠加算法

对双排错排簸箕形孔气膜冷却效率进行了实验研究,测出了孔排下游的局部冷却效率的分布.对比研究了单排孔与双排孔气膜冷却效率分布的特点及双排孔气膜冷却效率的叠加算法.结果表明,在单排孔条件下所确定的最佳吹风比,在多排孔喷射时是不适用的.在较高吹风比下,如采用传统的气膜冷却效率的叠加算法,根据单排孔冷却效率计算双排孔冷却效率会产生很大的偏差,其计算结果远低于试验值.给出了双排错排的簸箕形孔的喷射时,冷却效率的叠加计算关系式.     

气膜孔布局对前缘气膜冷却效率影响的实验

针对叶片前缘结构的特点,建立了前缘气膜冷却实验台,实验模型由半圆柱面和两个平板组成,在距离滞止线2倍气膜孔直径距离位置布置了1排气膜孔。主流在前缘的湍流度为8%,二次流和主流密度比为1.5,动量比变化范围为0.5~4,分析了在不同动量比下气膜孔间距和径向角变化对径向平均气膜冷却效率的影响。径向角分别为0,°45,°65,°孔间距与孔径的比分别为2,3,4。研究结果表明,随着孔间距的增加,径向平均冷却效率逐渐降低。径向角对径向平均冷却效率的影响非常复杂。     

气动参数对前缘气膜冷却效率影响的实验

针对叶片前缘结构特点,建立了前缘气膜冷却实验台,实验模型由带气膜孔的半圆柱面和平板组成.密度比为1和1.5,动量比变化范围为0.5～4,湍流度为0.4%和8%.结果表明,随着动量比的增加,冷却效率减小.在低动量比下,湍流度的提高使径向平均冷却效率降低.随着动量比的增加,湍流度对径向平均冷却效率的影响减弱.低动量比下,密度比的增加使径向平均冷却效率减小;高动量比下,密度比的增加使径向平均冷却效率增大.      

涡轮工作叶片型面气膜孔流量系数的实验研究

对涡轮工作叶片表面不同位置气膜孔的流量系数进行了系统的测量,在不同吹风比和雷诺数下测得了流量系数值,并分析了各种因素对流量系数的影响程度。结果表明在不同位置气膜孔流量系数分布规律有较大区别,孔排位置一定时,流量系数主要由吹风比决定。该实验结果对涡轮工作叶片表面气膜冷却的设计研究有重要意义。