狭小空间内气膜孔流量系数的数值模拟

针对多层层板冷却、双层壁冷却等冷却技术,利用数值模拟分析了这些冷却结构形成的狭小冷却通道中,气膜孔附近的流动特性,重点研究了气膜孔流量系数C_{d随吹风比M(0.5～2.0)、气膜孔雷诺数Re(5000～10000)以及冷却通道高度H和气膜孔直径D之比H/D(0.33～1.0)等参数的变化规律.数值计算中湍流模型为Realizable k-ε模型,近壁处采用非平衡壁面函数,利用SIMPLE算法和二阶迎风格式进行离散求解.计算结果表明:气膜孔流量系数随吹风比的增大而增大,在吹风比M小于1时,影响尤为明显.研究中同时发现在相同吹风比的条件下,Cd随着气膜孔雷诺数的增大而减小,但变化的幅度不大;在相同的气膜孔雷诺数下,Cd随着H/D的减小而降低,特别是当H/D小于0.75时,随着流体在进入气膜孔前逐步受到限制,Cd随着H/D的减小而快速降低.}      

气膜冷却孔几何结构对流量系数的影响

为了研究火焰筒壁面气膜冷却孔几何结构对流量系数的影响规律,设计了几种具有不同几何尺寸和排列结陶的气膜冷却孔实验件。对气膜冷却孔的流量系数进行了实验研究。实验结果表明．在吹风比较小时．随吹风比的增加流量系数大幅度增加．当吹风比较大时,随吹风比的增加流量系数增幅减小。同时．在气膜孔厚径比大于1时,气膜孔的排列形式对流量系数的影响不大,当厚径比小于1时．叉排气膜孔的流量系数要高于顺排气膜孔的流量系数。     

动量比对涡轮叶片气膜孔流量系数的影响

采用放大的叶片模型,利用大尺寸低速线性叶栅风洞进行实验,测量了涡轮工作叶片表面不同位置处6排气膜孔的流量系数,研究了不同吹风比、密度比和雷诺数对流量系数的影响。结果表明：（1）用二次流与主流的动量比来描述气膜孔流量系数的变化规律较为恰当。该参数可以综合吹风比和密度比的影响;（2）气膜孔流量系数随动量比的增大而增加,在小动量比下,影响尤为明显;（3）叶片表面不同位置处气膜孔的流量系数有较大的差别。表明气膜孔出口处的流动状态对流量系数有较大的影响。     

旋转对内冷通道气膜孔流量系数的影响

为了获得涡轮叶片旋转时对气膜孔流量系数的影响,采用非结构化网格及标准k-ε紊流模型,求解三维N-S方程,对带90°肋和气膜孔出流的旋转矩形通道内的三维流场进行了数值模拟,气动参数变化范围是:通道入口雷诺数Re=60000,150000,罗斯贝数Ro=0,0.11,0.22,气膜孔总出流比为0.22和0.09。Ro≠0时,旋转效应对气膜孔流量系数有明显影响,通道顺时针旋转时,科氏力由上壁面指向带气膜孔的下壁面,引起流量系数增加;通道逆时针旋转时,情况相反。计算结果还表明,在通道内同一径向位置处的两个气膜孔的流量系数是不同的,通道顺时针旋转时,进入左侧孔的流体和气膜孔轴线的夹角小于进入右侧孔的流体和气膜孔轴线的夹角,导致左侧孔的流量系数大于右侧孔的流量系数;通道逆时针旋转时,情况相反。Ro=0时的计算结果与实验数据符合很好。     

主流压力梯度对气膜孔流量系数影响机理

测量了主流零压力梯度、正压力梯度及负压力梯度条件下气膜孔流量系数,分析了主流压力梯度对气膜孔流量系数的影响机理.结果显示:正、负压力梯度的存在对气膜孔流量系数的影响幅度最大值分别为22%及26%.主流压力梯度会对喷出气流施加弯转作用及挤压作用,同时也会改变喷出气流与近壁面主流的掺混作用,从而影响气膜孔流量系数.挤压作用使喷出气流管变细而增加喷出气流的流动损失;弯转作用主要影响喷出气流的流动轨迹,正压力梯度下弯转作用使喷出气流的轨迹靠近壁面而远离其自由喷射方向增加流动损失,负压力梯度的作用则相反;掺混作用会增加喷出气流的动量消耗,正压力梯度对掺混有抑制作用,从而减少喷出气流用于掺混的动量损失,负压力梯度则相反.      

弯曲壁上开孔倾角对气膜孔流量系数的影响

对弯曲壁上的多孔气膜冷却方式的流量系数进行了实验研究, 目的是确定在一定曲率的弯曲壁上不同开孔倾角冷却孔的平均流量系数随压力参数的变化规律, 并从流动损失方面进行深入分析.研究结果表明, 对于几何参数一定的多孔冷却方式, 影响其流量系数的气动因素用压力参数来表示是合理的, 但对于不同的开孔倾角, 压力参数对流量系数的影响效果有很大差别.      

密度比对涡轮叶片气膜孔流量系数的影响

试验测量了某涡轮工作叶片表面不同位置气膜孔在不同密度比、吹风比和雷诺数下的流量系数,分析了各种因素对流量系数的影响程度,重点研究了二次流-主流密度比对流量系数的影响.试验结果表明:(1)密度比对不同位置气膜孔流量系数的影响也有差别:在吸力面、前缘等位置密度比对气膜孔流量系数影响较大;在压力面密度比对气膜孔流量系数影响较小.(2)以往采用空气作为主流及二次流,在低温差下进行试验所获的流量系数在用于涡轮叶片气膜冷却的实际情况时,必须进行修正.     

角度和孔间距对双向扩张型孔流量系数影响的实验

为了研究非常规扩张孔的流动特性,测量了一排7个双向扩张孔的平均流量系数.气膜孔的前倾角为20°,45°和90°,径向角为0°,30°和65°,孔间距与孔径比为2,3和4.动量比变化范围为1到8.结果表明,径向角为0°的流量系数随前倾角的增加显著增加.前倾角为20°的流量系数随径向角的增加略有减小.前倾角为90°的流量系数随孔间距的增加而增加.      

气膜孔形状对流量系数影响的实验研究

实验研究了气膜孔几何形状、二次流雷诺数及吹风比对流量系数的影响。所用孔形是簸箕形孔、圆锥形孔及圆柱形孔;实验的参数范围为二次流雷诺数Ｒｅ＝１００００～２５０００,二次流吹风比Ｍａ＝０．３～２．０,在上述范围选取了２６个工况分别对三种孔形进行了实验。得出了吹风比是影响各种孔形流量系数的重要参数及圆锥形孔流量系数最大的结论。     

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。      

旋转状态下气膜冷却特性的数值研究

 通过对带有气膜孔倾斜角度为30°,60°和90°圆柱形交错孔排的涡轮叶片模型进行数值模拟,得到了不同平均吹风比、雷诺数和旋转数情况下前缘面侧与后缘面侧的气膜冷却流动与换热特性及各气膜孔流量系数的分配规律。结果表明,冷气受到离心力与哥氏力的共同作用在前缘面侧向高半径处发生偏转,导致壁面冷却效率降低;雷诺数的增大会降低壁面上的气膜冷却效率,高吹风比则不利于紧贴气膜孔下游区域的冷却;各气膜孔的流量系数随着平均吹风比的增大而增大,随旋转数的提高而减小;受哥氏力作用的影响,相同工况下后缘面侧各气膜孔的流量系数明显高于前缘面侧对应气膜孔的值。     

Numerical simulation on a film-cooled rotating model with 30° injection holes

The flow and heat transfer characteristics were numerically investigated on a film cooling model under different rotating operating conditions.The computational model was originated from the mid-span section of a typical turbine rotor with two rows of 14 staggered injection holes angled 30° both on the suction surface and pressure surface,and the flow through the coolant plenum and all the hole-pipes were resolved as a part of the computational domain by specifying the coolant mass flux in the plenum.The computations primarily focus on under-standing the rotational effect on film cooling performance in mechanism research approach.In the present study,the Reynolds number(Re) based on mainstream velocity and injection hole diameter varied from 1835.5 to 5507.4,and the averaged blowing ratio(M) ranges of 0.5 to 1.5.Results show that the coolant will move on to the high-radius locations near the suction and pressure surfaces due to the strong centrifugal effect,which leads to the decrease in adiabatic effectiveness accordingly.The discharge coefficients(Cd),on the pressure surface,are much higher than that on the suction surface under a given operating condition.In addition,the critical values of angular speed which represent the equilibrium of centrifugal force and Coriolis force near the pressure surface are also presented.      

孔间距和前倾角对进出口扩张形气膜孔流量系数的影响(英文)

Discharge coefficients of 3-in-1 hole of three inclination angles and three spacing between holes are presented which described the discharge behavior of a row of holes. The inlet and outlet of the 3-in-1 hole both have a 15° lateral expansion. The flow conditions considered are mainstream turbulence intensities and density ratios of secondary flow to mainstream. The momentum flux ratios varied in the range from 1 to 4. The comparison is made of the discharge coefficients of three shaped holes to find an optimal hole with low flow loss. The results show that the discharge coefficients of 3-in- 1 hole are highest in three shaped holes and therefore this article is focused on the measurements of discharge coefficients of 3-in-1 hole for various geometries and aerodynamic parameters. The measured results of 3-in-1 hole indicate that turbulence intensities, density ratios and momentum flux ratios have weak influence on discharge coefficients for inclination angle of 20°. The high turbulence intensity yields the small discharge coefficients for inclination angle of 45° and 90°. The increased both momentum flux ratios and density ratios lead to the increased discharge coefficients for inclination angle of 45° and 90°. The increased inclination angle causes the rapidly increased discharge coefficients. There is a weak dependence of discharge coefficients on hole pitches.     

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。     

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%。      

克努森数对气膜冷却流动换热相似特性的影响

数值模拟研究克努森数Kn对不同尺度气膜冷却流动换热相似特性的影响,选取孔径为0.3,3,10mm平板单排圆柱形气膜孔模型,计算得到模型在Kn不同与相同条件下冷却效率和孔流量系数.结果表明:Kn相同时,小孔与大孔模型流动换热特性相似,冷却效率及流量系数均吻合很好;Kn不同时,两模型流动换热特性存在一定差异,冷却效率及流量系数吻合较差.因此为在气膜冷却相似放大研究中得到准确的相似结果,需要保证小孔及大孔模型的Kn相同.      

双层壳型冲击/气膜综合流量系数实验研究

为了研究新型高效涡轮铸冷叶片内部冷却通道中的流动特性,以铸冷叶片典型结构——双层壳型冲击/气膜复合冷却结构的平壁模型为研究对象,实验研究了该种冷却结构的综合流量系数Cd随冲击雷诺数Red(600～2800),主次流吹风比M(0.7～7),冲击间距比H/d(0.5～1.25),冲击孔和气膜孔间距比P/d(0,3,4)等参数的变化规律。研究结果表明:(1)Cd随着冲击雷诺数Red,吹风比M的增加而增大,在吹风比小于3工况下更为显著;(2)在相同的气动参数条件下,综合流量系数Cd随着孔排距比P/d的增加而增大,随着冲击间距比H/d的减小而显著降低。