气膜冷却平板表面颗粒物沉积的实验研究

为了解涡轮叶片表面颗粒物的沉积规律和沉积对气膜冷却的影响,实验通过石蜡喷涂装置将熔融石蜡颗粒喷入到小型风洞中,石蜡颗粒沉积在具有气膜冷却的平板表面上来模拟涡轮叶片上的颗粒物沉积过程。实验中将表征石蜡熔融颗粒尺寸的斯托克斯数与实际燃气涡轮发动机中的煤灰颗粒相匹配,通过调节主流温度,保持石蜡颗粒在沉积前处于熔融状态来模拟真实涡轮叶片上颗粒物的粘附机理,观察没有气膜冷却情况下的石蜡沉积过程和有气膜冷却情况下,不同吹风比和不同射流角度对石蜡沉积的影响,以及石蜡沉积后对平板表面气膜冷却的影响。研究发现石蜡熔融温度与主流温度相接近时,更容易沉积在平板表面,并且石蜡沉积在生长到一定厚度后不再增长。在有气膜冷却的情况下,吹风比从0增加到1.5时,平板表面石蜡沉积先减少后增加,吹风比为0.5时,石蜡沉积最少。射流角度由30°增加到90°时,平板表面石蜡沉积逐渐增多。石蜡沉积降低了平板气膜冷却效率,并且气膜孔间下游区域的温度比气膜孔下游区域更高。     

气膜孔附近粒子沉积特性的数值研究

研究了气膜孔附近的粒子运动与沉积特性,重点研究了粒子直径和气膜出流吹风比对粒子运动与沉积特性的影响. 基于EI-Batsh粒子沉积模型,考虑了粒子的黏附/反弹和离去机制,编制了相应的粒子沉积计算模块集成在Fluent软件中,并利用相关实验数据对该计算方法进行了验证.结果表明:1,2μm直径粒子沉积率随吹风比增大而增大;3,4μm直径粒子沉积率则随吹风比增大而减小.1μm直径粒子易受气膜出流卵形涡对的卷吸作用而沉积于相邻气膜孔之间区域,当吹风比为2时粒子沉积率比吹风比为0时高约5倍;5μm直径粒子运动轨迹受气膜出流影响较小.总体沉积率随吹风比升高而不断降低,吹风比为2时总体沉积率比吹风比为0时减小1.7%.      

存在剥离条件下颗粒物沉积过程的数值研究和实验验证

为了更加准确地模拟涡轮叶片表面颗粒物沉积的增长过程和分布状况,研究颗粒物沉积过程中粘附、剥离直至稳定平衡的规律,在经改进的颗粒粘附模型基础上考虑两种剥离形式,利用Fluent的User Defined Function (UDF)功能和网格重构技术,最终实现了熔融石蜡颗粒于带有气膜冷却的平板上沉积动态增长的过程。通过与相同条件下所得实验结果的对比,验证了所用模型的有效性和合理性。随后研究了是否加入剥离模型、气膜冷却吹风比、气膜孔射流角度等因素对沉积效果的影响。计算结果表明,考虑颗粒的剥离效应将减少颗粒物沉积的总量,尤其是在气膜孔后较短区域内;此外,吹风比的增加将使颗粒不易撞击壁面,已粘附的颗粒也更容易剥离从而降低沉积的厚度和质量;射流角度不断增大则使气膜覆盖效果变差,壁面温度升高,颗粒更易达到熔融状态沉积下来。研究发现该数值方法有助于更加精确地仿真沉积增长的过程,证实了吹风比和射流角度对沉积的分布和厚度有很大影响。当射流角度处于35°～40°时,可在一定程度上减少沉积。     

污染物沉积和热障涂层脱落对气膜冷却效率影响的数值研究

污染物沉积到有热障涂层的涡轮叶片上之后,会导致叶片表面状况的改变,进而影响气膜冷却效率。为分析影响规律,利用三维数值计算研究了3种典型情况下的气膜冷却特性:污染物沉积、热障涂层脱落及气膜孔堵塞,并得到了吹风比的影响规律。研究结果表明,平板气膜冷却吹风比为0.5时,冷却效果最佳;在发生沉积和堵塞后,气膜孔附近产生的反旋涡对会削弱沉积和堵塞后的气膜冷却效率,沉积高度增加会强化这种削弱效果;由于在沉积情况下高吹风比会诱导出正向旋涡使得气膜贴近壁面,因此随着吹风比增大,气膜冷却效果增强;因涂层脱落而在孔下游产生的裂纹在低吹风比时会降低冷却效率,高吹风比时改进冷却效果,使得最佳吹风比由0.5上升到0.7左右;气膜孔堵塞会降低冷却效率,使得气膜更易脱离壁面。      

纵向波纹隔热屏气膜冷却特性数值研究

以加力燃烧室纵向波纹隔热屏为研究对象,采用数值方法,对不同吹风比、不同展向间距以及不同流向间距的纵向波纹隔热屏进行计算,获得了纵向波纹隔热屏流场流动特征和气膜冷却效率的变化。结果表明:纵向波纹隔热屏气膜冷却与常规的平板气膜冷却有着本质的区别,表现出气膜射流脱离壁面、较小吹风比下的冷却效率受结构影响大等特征;较低吹风比(M1.3)下气膜冷却效率沿着流向呈现出起伏变化,较高吹风比(M≥1.3)下的气膜冷却效率沿程逐渐增加,最终趋于平缓;对于几何结构,吹风比约为2.5时效率达到最大值;随着展向间距的减小,气膜冷却效率逐渐增加,但增加较为缓慢;气膜冷却效率并不是一直随流向间距的减小而增加,当流向间距从4.2倍孔径减小到3.25倍孔径时,在第二周期波峰区域,冷却效率反而降低,随着流向间距进一步减小,局部冷却效率降低的区域甚至扩大,并占据了波纹隔热屏的第二个波峰。     

船舶燃气轮机U型肋通道的颗粒沉积特性研究

为了探究船舶燃气轮机内部冷却通道的颗粒沉积特性,本研究从随压气机抽取的气体进入冷却涡轮内部冷却通道内的颗粒动力学特性及颗粒与壁面相互作用特性出发,基于高温壁面建立速度场影响的沉积模型,利用用户自定义函数实现沉积模型与CFD程序的嵌套。并简化船舶燃气轮机内部冷却通道,选取了在气膜孔与壁面之间夹角β=90°时,下游肋倾角α不同(α=30°,45°,60°,75°,90°),及在下游肋倾角α=60°时,气膜孔与壁面之间夹角β不同(β=30°,45°,60°,75°,90°)的八种不同内冷结构进行数值计算。研究表明,在气膜孔与壁面之间夹角β=90°不变时,随着下游肋倾角由α=90°减到α=30°时,弯头壁面换热性能和沉积率逐渐呈下降趋势,下游肋与肋之间壁面上颗粒的撞击率逐渐上升。下游肋倾角α=60°,气膜孔与壁面之间夹角β=45°的U型肋通道,在八个内冷结构中弯头壁面沉积率最少,换热性能最好,是能够有效改善船舶燃气轮机冷却涡轮的海洋环境工作适应性,减少内部冷却通道中颗粒沉积的内冷结构。     

双层壳型冲击/气膜复合冷却效果的实验

以双层壳型冲击/气膜复合冷却结构的平壁模型作为研究对象, 进行了该种冷却结构的复合冷却效果实验研究.研究中改变冷热气流吹风比M, 冲击距H/d, 冲击孔和气膜孔间距与冲击孔直径之比P/d等参数, 利用红外热像仪拍摄实验件的温度分布.研究结果表明:上述参数均影响双层壳型冲击/气膜复合冷却效果, 而且影响规律表现出较强的关联性.随着吹风比的增加, 复合冷却效果逐步增强;在实验工况条件下, 存在一个最佳冲击距H/d范围使得复合冷却效果最佳;同时在冲击孔和气膜孔之间也存在一个最佳的P/d范围, 使得复合冷却效果达到最大.当H/d=0.5和P/d=4时, 双层壳型冲击/气膜复合冷却结构能达到最佳的冷却效果.      

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.      

沟槽表面双排孔顺逆组合对气膜冷却的影响

数值模拟研究了双排气膜孔顺逆组合形式对沟槽表面气膜冷却效率影响,孔间距与气膜孔直径之比为5,孔排间距与气膜孔直径之比为12,吹风比为0.3、0.8和1.4。结果表明,在吹风比较小时,沟槽对气膜有显著的导向作用,冷气在相邻的沟槽内部流动。当吹风比增大时,冷气喷到沟槽顶部,导向作用减弱。顺向射流的气膜贴近冷却表面,在低吹风比下气膜冷却效率较高。在高吹风比下,逆向射流覆盖更宽,气膜孔排间叠加效应明显。吹风比为0.3时,逆-逆组合的气膜冷却效率最低,面平均气膜冷却效率为0.07,相比于最高的顺-顺组合的0.13降低46%。当吹风比为0.8时,顺-顺、逆-顺、顺-逆组合的面平均气膜冷却效率相近,约为0.11,其中顺-逆组合气膜冷却效率分布更均匀。吹风比为1.4时,逆-逆组合的面平均气膜冷却效率最高,为0.13,相比于顺-顺组合提升116%。     

离散孔切向进气气膜冷却效率的实验

采用红外热像仪对具有不同孔径和排列方式的离散孔切向进气的气膜冷却结构的绝热壁温进行了测试,获得了气膜冷却效率随吹风比和无量纲流向距离变化的经验关联式。研究结果表明,在本文研究的参数范围内,离散孔切向进气气膜冷却的冷却效率随吹风比和气膜孔直径的增大而上升;在气膜孔板开孔率和吹风比相同时,由排型引起的冷却效率差异不是很大。      

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.      

射流角度对姊妹孔气膜冷却效果影响实验研究

为了分析主孔与侧孔射流角度对逆向射流姊妹孔平板模型气膜冷却效率影响,采用压力敏感漆(PSP)技术对单孔顺流与5种姊妹孔在四种吹风比(BR)下的绝热气膜冷却效率进行研究。结果表明姊妹孔在所有吹风比下气膜冷却效果均优于单个圆孔正向射流。低吹风比(BR=0.5)时,姊妹孔气膜冷却效果相近,但顺流姊妹孔气膜冷却效果最佳;中吹风比(BR=1)、高吹风比(BR=1.5,2)下,侧孔顺流的逆向射流姊妹孔气膜冷却效果最佳,相比于单孔射流的面平均气膜冷却效率可提高366%,677%,727%。逆向射流可令姊妹孔获得更高的气膜覆盖率,具有复合角度的侧孔射流可在低、中吹风比下增加逆流姊妹孔的展向气膜覆盖率,但在高吹风比下,对姊妹孔下游流向气膜冷却效果产生较差影响。     

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...     

孔阵排列疏密度对致密多孔壁冷却效果的影响

为了获得气膜孔阵排列的疏密度对致密多孔壁冷却效果的影响规律，分别对四种疏密度排列下的平板热侧面上的冷却效果进行了数值模拟研究。各物理模型通过改变气膜孔径大小和孔间距得到不同的孔阵排列疏密度。为了便于相互比较，各计算模型的边界条件完全相同，而且平板气膜孔区单位面积上冷气流量均相等。计算结果显示：在一定的范围内，孔阵排列的疏密度越大，冷却效果越好。在热侧面上的气膜孔区及其下游区，致密多孔壁的冷却效果都非常好，比同等条件下常规气膜冷却的效果好得多。     

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。     

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.     

平板孤立冷却孔下游换热特性实验

为了考察弯曲冷却孔通道对气膜冷却的影响,运用稳态液晶测温技术,对处于横向流中平板孤立圆形直孔和圆形弯曲孔下游的换热特性进行了实验研究。得到了吹风比为0.51、0.8、1.04、1.22下,冷却孔下游附近的冷却效率分布和传热系数的二维分布。实验结果证明:弯曲射流能够有效地提高下游的冷却效率,并且能使气膜具有较强的横向扩展能力,覆盖效果好。但由于其对主流有较强的扰动,所以会增加当地的局部传热系数。     

基于热色液晶的异型气膜孔气膜分布特征的可视化实验

通过在气膜孔下游不同位置设置涂有热色液晶的黑色尼龙网,根据尼龙网上的彩色无量纲温度轮廓,对圆柱孔、水滴孔和簸箕孔在吹风比为0.5,1,2下的气膜分布状况进行可视化实验研究.结果表明:气膜孔沿主流流向的扩张会降低出流平均动量,较小程度地减弱了肾形对涡强度,使气膜的覆盖范围和气膜厚度都有所增大;展向扩张使出流平均动量降低的同时使其具有展向速度分量,明显降低了肾形对涡强度,显著增大气膜覆盖范围、降低气膜厚度,增强气膜的贴壁性;吹风比增大使气膜脱离壁面的趋势增强,降低气膜覆盖范围;排孔的相邻孔的出流会相互影响,有利于将气膜压向壁面,相比单孔来讲排孔的冷却效果和气膜覆盖效果更好.      

内冷通道横流条件下气膜冷却特性

为了研究内冷通道横流条件下气膜冷却的流动和换热特性,采用窄带瞬态液晶测量技术获得了内冷通道横流条件下吹风比分别为0.5,1,2时气膜孔下游冷却效率和表面传热系数云图,并通过数值模拟得到了气膜孔内及下游区域流场的详细信息.结果表明:内冷通道横流对气膜孔下游冷却效率和表面传热系数分布有重要的影响.横流增强了气膜孔射流的展向分布能力,增强了高吹风比时气膜冷却效果.另外,气膜孔下游涡的分布出现明显的不对称性,涡的结构更加复杂.