横向槽结构对气膜冷却效果影响的数值研究

基于有限体积法对三维定常不可压缩N-S方程进行离散,采用两层k-ε湍流模型,在吹风比M为0.6,1.2和1.8的情况下,数值研究了6种不同横向槽结构对气膜冷却效果的影响,并与常规圆柱孔进行了比较。结果表明:在任何吹风比下,所有开槽孔的冷却效率均高于圆柱孔;在低吹风比时,6种开槽孔的冷却效率相差不大,随着吹风比的增大,不同开槽孔冷却效率的变化趋势不尽相同;具有中等开槽深度(0.75D)和最大开槽宽度(3D)的开槽孔,气膜冷却效果最佳,而具有最大开槽深度(1D)的开槽孔,气膜冷却效果较差;横向槽的存在使冷气射流在流出气膜后面积突扩,动量降低,气膜出流向主流的垂直穿透能力随之降低,射流本身流动的扩散以及射流在流入横向槽中受到主流对其向下的压制作用较大,反向涡旋对的强度不同程度地受到了抑制,增强了壁面的冷却效果。     

不同横斜槽结构对气膜冷却效果影响的正交模拟

通过FLUENT软件并采用Realizable k-ε紊流模型对三维定常不可压缩N-S方程进行求解,利用正交模拟的方法模拟了不同的槽宽、吹风比和槽深三个影响因素共同作用下的平板气膜冷却效果,最终选出最优的冷却方案。结果表明:开槽深度为1倍孔径,吹风比为2.0和开槽宽度为2倍孔径的开槽姊妹孔的冷却效果最佳,为最优冷却方案。槽宽对平板冷却效率的影响最大,槽深的影响较小,吹风比的影响最小;开槽深度为0.75倍孔径,吹风比为2.0和开槽宽度为4倍孔径的开槽姊妹孔的冷却效率最低为0.1974,比最优冷却方案低约173%;横斜槽的存在使反向漩涡对的强度受到了抑制,从而加强了冷却效果。     

圆角横槽结构对气膜冷却效率影响的实验研究

为了研究圆角横槽结构对气膜冷却效率的影响,选取槽深、槽宽、圆角半径、吹风比四个影响因素进行正交实验,采用压力敏感漆测试技术对圆孔冷却结构和圆角横槽结构的气膜冷却效率进行测试。结果表明：在低吹风(BR=0.5)、中吹风(BR=1)比、高吹风(BR=1.5)比下,除Case3外,圆角横槽的面平均气膜冷却效率均高于单一圆孔。圆角横槽的面平均气膜冷却效率相对于圆孔冷却结构最高可以提高127％,Case1-Case9中,优化组合的结构参数为：槽宽2.4D,槽深0.6D,圆角半径0.9D,优化组合面平均气膜冷却效率相对于气膜冷却效率最低的Case8可以提高177％。在槽宽、圆角半径、槽深、吹风比四个影响因素中,吹风比对圆角槽气膜冷却效率影响程度最大,其次分别是槽深、槽宽、圆角半径。     

主流压力梯度对气膜冷却效率影响的数值研究

分别对收缩通道、扩张通道和直通道中亚声速主流条件下的气膜冷却进行数值模拟,对比分析了不同主流压力梯度、次流吹风比条件下的主流和次流流场、温度场特征。研究结果表明:引起气膜冷却效率变化和不同发展趋势的因素可归结为主流边界层厚度、主次流自由剪切混合程度、肾形涡的强度和位置等因素。相对于零压力梯度的主流条件,在吹风比较小(M=0.25)的情况下,主流的逆压力梯度一方面增厚边界层、增强了气膜射流对主流的穿透,另一方面减小了肾形涡的强度,综合作用的结果是气膜平均冷却效率提高了4.91%。在吹风比较大(M=2)的情况下,主流的顺压力梯度扼制主流边界层的发展、抑制气膜射流的穿透能力,降低肾形涡涡核的位置,从而提高气膜冷却效率达17.40%。      

超声速与亚声速气膜流动和冷却特性数值研究

以平行入射缝槽气膜冷却为研究对象,开展了主、次流分别为亚声速和超声速流动状态下的气膜冷却数值模拟。计算结果表明：对于主流为超声速、次流为亚声速的气膜冷却,主流热量和动量很快就输运到亚声速次流中,气膜核心区很快被破坏,气膜冷却效率不高;在主流为超声速流动的情况下,施加相同吹风比的超声速冷却次流可将其核心向下游更远的地方输运,与常规的亚声速气膜冷却结构类似。为了获得较高的气膜冷却效率,在主流为超声速流动的情况下,建议施加超声速次流进行气膜冷却。     

旋转对曲率表面气膜冷却效率影响的数值研究

通过对旋转状态下曲率通道的气膜冷却现象的流动和换热进行数值模拟,得到了不同旋转数下凸表面和凹表面的冷却效率分布。计算选用剪切应力输运(SST)湍流模型,主流雷诺数ReD=4 797,吹风比M=0.4,旋转数Rt=0~0.023 9。研究结果表明,旋转数对冷却效率的影响明显：旋转数的增大使得气膜的轨迹偏转越明显,并且凸表面上气膜轨迹的偏转程度高于凹表面的。凸表面的冷却效率随着旋转数的增加而逐渐减小,而凹表面的冷却效率随着旋转数的增加而递增,并且旋转数的增加会弱化凸表面和凹表面上冷却效率的差别。     

涡轮叶片尾缘凹坑/凸起结构气膜冷却特性研究

为探究吸力面凹坑和凸起结构对涡轮叶片尾缘气膜冷却特性的影响,在吹风比M=1.1时(雷诺数Re=2.5×10~5),采用数值模拟方法,通过在叶片尾缘吸力面上加入凹坑或凸起,对涡轮叶片尾缘的冷却性能和流动机理进行了详细分析。结果表明:与原始结构相比,叶片尾缘凹坑和凸起结构提高了劈缝出口下游远距离端X/H6 (H为劈缝宽度,为4.8mm)区域气膜冷却效率,对下游的X/H6区域气膜冷却效率影响较小;三种叶片尾缘结构,沿着流向方向会产生由二维展向涡到发卡涡,再到流向涡的变化过程,凹坑和凸起结构通过抑制流体的扰动,改变流体流动情况,提高了劈缝出口下游远距离端气膜冷却效率。     

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。     

新型孔结构对气膜冷却效率的影响

通过对不同孔间距模型的气膜冷却现象的流动和换热进行数值计算,得到了不同吹风比下,展向和流向间距对冷却效率的影响规律。研究结果表明,在主流雷诺数为4797,吹风比在0.2~2.0 条件下,(1)展向方向上,存在最佳布局;(2)流向方向上,辅助孔在主孔下游较好;(3)流向方向上,辅助孔在主孔下游的模型受吹风比影响小;并且流向距离的改变,对涡量的量级不发生改变,对涡量的大小和方向影响较大。     

带扰流柱内冷通道对表面气膜冷却特性的影响

为了讨论内冷通道结构对表面气膜冷却特性的影响,通过数值模拟的方法,计算研究不同结构下,冷气流过带有扰流柱内冷通道对表面气膜冷却特性的影响,并研究冷气通道与燃气掺混后的冷却效果;采用六种不同结构的扰流柱与气膜孔排列方式,计算中吹风比的范围为0．1〈M〈2．0。结果表明：冷气通道内的扰流柱对进入气膜孔的冷气起到稳定作用,比冷气通道内不加扰流柱的气膜冷却效果好,而且扰流柱与气膜孔不同的排列方式对气膜冷却效果有显著影响,因此选择合适的排列方式有利于气膜冷却。     

抑涡孔结构对气膜冷却效率的影响

对不同孔间距模型的气膜冷却现象的流动和换热进行了数值计算,得到了不同吹风比下,展向和流向孔间距对气膜冷却效率的影响规律.研究结果表明,在主流雷诺数为4 797,吹风比为0.2～2.0的条件下:①展向方向上,S₁/D=1为最佳布局;②流向方向上,相对于主孔靠后的辅助孔冷却效果较好;③流向方向上,辅助孔在主孔下游的模型受吹风比影响小,并且流向距离的改变,对涡量的量级不发生改变,对涡量的大小和方向影响较大.      

复合角对涡轮叶片旋转气膜冷却效果的影响

对某小型燃气轮机设计工况下的涡轮动叶,采用标准k-ε湍流模型,数值模拟了复合角气膜孔对冷却效果的影响.主流雷诺数为670 000,比较了吹风比分别为0.5,1.0,1.5和2.0时,采用60°,30,°0°,-30°和-60°复合角气膜孔的气膜流动情况和冷却效果.结果表明:在旋转状态下,压力面上复合角可以有效地提高气膜冷却效果,受哥氏力的影响,朝向低半径的复合角的气膜冷却效果要好于朝向高半径;吸力面上复合角对气膜冷却效果的影响不大.      

小孔辅助结构影响气膜冷却效果的实验

采用稳态液晶测温方法,详细研究了具有辅助小孔的分叉孔和大小孔的冷却效率分布规律,并与圆柱孔和扇形孔进行对比,分析小孔辅助结构对气膜冷却效果的影响.实验参数:主流雷诺数为2900,吹风比为0.3~3.0,密度比为1.06.结果表明:所有工况下,小孔辅助结构均在一定程度上提高气膜冷却效果,吹风比越大,对气膜冷却效果的改善就越明显,并且大小孔的冷却效率始终高于分叉孔.扇形孔只在吹风比大于1.0时,才起到改善气膜冷却效果的作用.      

气膜孔角度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SST湍流模型,对涡轮叶栅通道内部的三维流场和圆形气膜孔叶片型面的冷却效果进行了数值模拟,在设计工况下,分析气膜孔倾角的改变对吸力面冷却效果的影响.研究结果为:无论改变哪排气膜孔的倾角,前倾的冷却效果总是高于后倾;相比之下,第一排气膜孔的倾角发生变化后对冷却效果的影响最大.      

利用横向槽改善气膜冷却效率的实验

为了获得横向槽对气膜冷却效率的影响规律,分别对气膜孔出口全开槽、上游开槽和不开槽三种气膜冷却结构形式的平板实验模型进行了实验研究,获得了带横向槽气膜冷却结构的冷却效率随吹风比的变化规律和开槽形式对冷却效率的影响规律,以揭示横向槽改善气膜冷却效率的机理.研究表明:在横向槽的作用下,冷却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,并且在气膜孔出口处开槽,对提高气膜孔下游的平均冷却效率有较大的作用,上游开槽结构的下游平均冷却效率高于全开槽和不开槽结构的平均冷却效率.      

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.      

Console形气膜孔改善冷却效率的数值研究

运用剪应力输运湍流模型对Console形孔的气膜冷却结构,在不同吹风比下的气膜冷却效率的分布进行了数值研究;并在保持冷气入口相同开孔率的条件下,将其与圆形和缝形气膜孔的冷却效率进行比较.结果表明:随着吹风比的增加,Console形气膜孔的冷却效率也在增加;在相同吹风比条件下,Console形孔的冷却效率较圆形孔高,较缝形孔低;但在小吹风比时,基本与缝形孔的冷却效率相当.