小孔辅助射流提高气膜冷却效率的机理分析

采用数值计算手段,模拟普通的圆柱形单孔结构和小孔辅助射流结构在不同吹风比下的流动和换热,侧重通过直观演示气膜孔下游反向对旋涡对(肾形涡)的生成、发展以及相互作用过程,揭示小孔辅助射流改善气膜冷却效果的机理.结果表明:与单孔结构相比,小孔辅助射流结构,由于小孔射流的干涉作用,主孔射流形成的肾形涡的尺度和强度均有较大程度的减小,冷气射流与主流的掺混减弱,对冷气的向上抬升作用减小,避免了冷气穿透主流脱离壁面,大大提高冷却效率.随着吹风比的增加,与圆柱形单孔相比,气膜冷却效果改善更加明显.      

小孔辅助射流提高冷效的机理分析

本文采用数值计算手段,模拟普通的圆柱形单孔结构和小孔辅助射流结构在不同吹风比下的流动和换热,侧重通过直观演示气膜孔下游反向对旋涡对（肾形涡）的生成、发展以及相互作用过程,揭示小孔辅助射流改善气膜冷却效果的机理。结果表明：与单孔结构相比,小孔辅助射流结构,由于小孔射流的干涉作用,主孔射流形成的肾形涡的尺度和强度均有较大程度的减小,冷气射流与主流的掺混减弱,对冷气的向上抬升作用减小,避免了冷气穿透主流脱离壁面,大大提高冷效。随着吹风比的增加,与圆柱形单孔相比,气膜冷却效果改善更加明显。     

基于分离涡模拟的平板气膜涡系结构与流动损失数值研究

气膜冷却在保护高温部件的同时,主流与冷气干涉会形成复杂的涡系结构并造成掺混损失,研究二者之间的作用机理对指导气冷涡轮优化设计具有重要意义。本文采用DES (Detached-Eddy Simulation)方法对平板圆柱气膜孔的流场进行非定常数值模拟,分析了涡系演变规律以及掺混损失。结果表明：随着吹风比的提高,冷气射流与主流的流动掺混过程表现为两种不同的模式,低吹风比时下游冷气主要受顺时针方向的迎风涡控制,高吹风比时逆时针方向的迎风涡和顺时针方向的背风涡同时控制下游冷气运动;频谱分析显示,流场扰动存在着明显的倍频关系,基频信号由脱落涡产生,频率大小与吹风比呈线性关系;损失分析表明,流场损失主要由冷气与主流的温差换热导致,占总熵损失的90%以上。     

浅槽孔气膜冷却的大涡模拟研究

为了探究浅槽孔气膜冷却的强化冷却机理,针对平板浅槽型气膜孔冷却射流与主流相干作用进行大涡模拟研究,并与圆孔射流进行对比分析。研究结果表明:浅槽孔内部会形成一对循环涡旋,将冷却气向展向卷吸;浅槽孔下游会同时出现肾形涡对和反肾形涡对,反肾形涡对抑制了气膜冷却射流的抬升,改善了冷气贴壁性;与圆孔相比,浅槽孔气膜冷却射流的流场拟序结构分布更为无序,浅槽前缘未出现马蹄涡旋,射流下游也未形成串列的发卡涡;当吹风比增长到1.5时,浅槽孔在低频区(400Hz处)出现主频,在高频区的振幅则远低于圆孔,表明高吹风比下浅槽孔气膜冷却射流流场中低频小尺度涡旋占主导作用。整体而言,浅槽孔提升了气膜的展向扩展能力,冷却性能远优于传统圆孔。     

带凹坑圆孔气膜冷却流动传热特性

利用大涡模拟方法对平板带凹坑气膜孔冷气射流与主流的相互作用展开研究,并结合红外热成像壁温测试和粒子图像测速结果进行实验验证,揭示了凹坑对气膜冷却的强化机理.结果表明:凹坑在气膜孔下游诱发反肾型涡对,将冷气向壁面卷吸,改善了气膜贴壁性;与圆孔气膜冷却相似,凹坑气膜冷却流场也出现马蹄涡、发卡涡等大尺度拟序结构,但与圆孔下游...     

基于大涡模拟分析气膜冷却的湍流场

用大涡模拟考察了单孔平板气膜冷却的湍流场,气膜孔沿流向倾斜30°,气膜出流的雷诺数为2600,吹风比为0.5.计算结果表明:①气膜孔内的流动分离增加了湍流动能,导致气膜冷却效率的降低,在设计中要尽量避免或减少流动分离;②与射流侧向扩展有关的涡黏性系数在气膜孔两侧存在峰值,而采用各向同性的湍流模型预测气膜冷却时,涡黏性系数的峰值出现在射流与主流的剪切区,因此会高估射流的垂直穿透而低估射流的侧向扩展;③可以用大涡模拟辅助建立各向异性的湍流模型,以便提高湍流模型的预测精度.      

肋角度对气膜冷却特性的影响

在光滑二次流通道的基础上,分析对比了两种带肋通道(135°肋和45°肋)对气膜冷却特性的影响.采用瞬态液晶测试技术获得了气膜孔下游表面传热系数比与气膜冷却效率分布.使用Fluent软件RANS数值方法对相应结构进行了数值模拟,并使用了realizable k-ε湍流模型.光滑二次流通道模型中,气膜孔内流线呈螺旋状分布,导致较大的孔内速度分离与流动损失.冷气射流分成两部分,其中一股形成一对偏斜的对转涡.135°肋结构中,二次流通道上部分的旋转涡为顺时针方向,使得气流易于流入气膜孔,气膜孔内流线呈直线分布.45°肋结构中,二次流通道上部分旋转涡为逆时针方向,增强了气膜孔内旋转涡.45°肋结构中冷气流入气膜孔之后的流动结构与光滑二次流通道结构相似.135°肋结构气膜冷却效率最大而表面传热系数比最低.     

旋转对气膜冷却影响的大涡模拟

采用大涡模拟,考察了旋转影响气膜冷却的物理机制。参考实验模型,用带有30°倾斜圆柱孔的平板模拟涡轮转子叶片的吸力面,冷气出口雷诺数为1300,冷气和主流的吹风比为0.5,计算了静止和旋转数为0.2两种条件下的流动和换热,全面展示了旋转对平均流场、涡量、湍流结构和壁面温度分布的影响,并由此对实验现象进行了解释。结果表明,旋转使气膜孔下游的对转涡对产生不对称性;旋转引发的哥氏力使气膜冷却流场中的发夹型漩涡结构向高半径方向偏移,引起涡量分布的改变;旋转破坏了发夹涡的连续性,减少了对主流的卷吸和主流传递给冷气的热量,从而提高了冷却核心区的冷却效率,与实验中观察到的现象一致。     

气膜孔结构对涡轮导叶端壁冷却效率的影响研究

对涡轮叶栅端壁上游4种气膜冷却结构模型进行了数值模拟,得出在不同吹风比情况下涡轮叶栅端壁的流动与换热特性。结果表明,无槽气膜孔冷气射流在孔下游与主流相互作用形成1对转动方向相反的耦合涡,主流被卷入耦合涡并冲击到了端壁,使得孔间壁温接近主流温度,气膜冷却效率很低;带槽气膜孔抑制了耦合涡的形成,冷却了孔间端壁,气膜冷却效率较高,而且,随着槽深度的增加,冷气的展向(Y向)宽度逐渐增加,扩大了冷气覆盖区域,提高了端壁气膜冷却效率。     

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.      

叶片吸力面不同位置处气膜冷却特性对比

在跨声速叶栅通道内，试验研究了叶片吸力面不同位置处的气膜冷却特性，详细地分析吸力面两个位置处的簸箕孔型在主流进口雷诺数为3.7×105、出口马赫数为0.81，0.91，1.01及气膜吹风比为0.6～2.1条件下的气膜冷却效率.结果表明:气膜孔2位于大的叶片曲率位置处，该位置处主流能使得射流更好地贴附在壁面上，但是该影响有利有弊.在小吹风比下，气膜孔射流本身就能很好地贴附壁面，因而主流使得气膜贴壁较好的作用不强，而主流使得气膜展向扩展不易的负面影响却比较明显.在大吹风比下，气膜射流法向分量较大，气膜容易脱离壁面，此时，气膜孔2由于主流作用使得气膜更好地贴附在壁面上，气膜冷却效率有较大提升.      

Film cooling performance and flow structure of single-hole and double-holes with swirling jet

This paper presents the results of a numerical study of the effects of swirling flow in coolant jets on film cooling performance. Some combined-hole designs with swirling coolant flow entering the delivery hole are proposed and analyzed. Adiabatic film cooling effectiveness values for cases with various blowing ratios are compared. Detailed flow structures and underlying mechanisms are discussed. The results show that film cooling effectiveness is improved with jet swirl at high blowing ratios, ...     

利用小孔射流改善气膜冷却效率的数值研究

为了获得气膜孔下游放置一对射流小孔对气膜冷却效率的影响规律,采用数值模拟方法研究了不同吹风比下射流小孔出口位置尺寸不同时流动过程和冷却效率的分布情况,并与常规气膜孔冷却结构形式进行对比,以揭示小孔射流改善气膜冷却效率的作用机理.研究表明:在常规气膜孔下游开两个射流小孔后,两射流小孔分别产生一个较弱的与气膜孔反向涡对方向相反的反向涡对,反向涡对的相互作用减弱了气膜孔反向涡对的强度,使气膜的贴壁效果更好,提高了气膜孔的冷却效率.在各吹风比条件下,气膜孔下游有射流小孔时,冷却效率都有一定的提高,并且射流小孔间距较大时对两气膜孔中心线之间的横向平均冷却效率改善较大,吹风比较大时,效果更明显.      

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。     

Flow Field Investigation in a Trapezoidal Duct with Swirl Flow Induced by Impingement Jets

An enlarged model of trapezoidal duct near the leading-edge in the blade is built up. The effects of impingement jets, swirl flow, cross flow and effusion flow are considered. Experiments are performed to measure flow fields in this confined passage and exit holes on one of its side walls. Cross flow and effusion flow are induced in the channel by the outflow of side exit hole (SEH) and film cooling hole (FCH), which are oriented on one end wall and bottom wall of the passage. Detailed flow structures are measured for two impingement angles of 35° and 45° with 6 combinations of outflow ratios. Results show that the small jets impinge the target wall effectively while the large jets contribute to inducing and impelling a strong counter-clockwise vortex in the upper part of the passage. Cross flow plays a dominate role for the flow structures in the passage and exit holes. It deflects jets, enhances swirl and deteriorates side exit conditions. Impingement angle is another significant factor for the flow characteristics. Its effect reveals more evidently with cross flow. Within the present test conditions, the mass flow rates and outflow positions of FCHs have no distinct effect on the main flow structures.     

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%。