姊妹孔平板气膜冷却效率的数值模拟

利用Fluent软件对Navier-Stokes方程进行求解,采用Realizable k-ε模型研究了30°、45°和60°3种夹角姊妹孔射流对气膜冷却效率的影响,讨论了2个次孔夹角角度对流动温度场和姊妹孔平板冷却效率的影响.结果表明:姊妹孔主要是通过2个次孔产生的涡旋结构和主孔涡旋结构相互作用来提高冷却效率的,将被抬离的射流中心向横向方向拉拽,破坏反向对涡旋,将升力变为展向拉力,既提高了射流贴壁性又增大了展向覆盖面积;姊妹孔夹角为30°时,平板的气膜冷却效率最高.     

姊妹孔与单入双出孔平板气膜冷却效率的数值模拟

采用Fluent分离隐式求解器进行稳态计算,在吹风比为0.5、1.0、1.5和2.0的情况下,采用Realizable k-ε湍流模型对圆柱孔、单入双出孔和姊妹孔平板气膜冷却进行数值模拟,讨论不同孔形平板主流方向和平板横向的冷却效率以及流场变化.结果表明:主流方向在近孔区域姊妹孔冷却效率高于单入双出孔,且随着吹风比的增大优势更加明显,但是由于射流贴附壁面较早,射流与主流掺混引起动量损失,到远孔区域以后,姊妹孔冷却效率稍微下降,低于单入双出孔;姊妹孔平板横向近孔区域的气膜层分布较均匀,单入双出孔远孔区域由于主孔与次孔射流速度差引起气膜层偏移,导致平板一侧冷却效果好,另一侧冷却效果欠佳;吹风比较小时单入双出孔冷却效果较佳,大吹风比下姊妹孔优势明显.     

复合扩张角对平板扇形孔冷却特性的影响研究

为了研究扇形孔不同复合扩张角对平板气膜冷却的影响,分别对10°、12°、14°、16°4种复合扩张角的气膜孔的流动和传热特性进行了数值模拟。研究结果表明,4种气膜孔复合扩张角孔型出口下游均出现从中心向上抬升的反向旋转涡对,将主流燃气卷吸进来;较大的复合扩张角孔型使得气膜出流在侧向覆盖相对更宽,可以有效地降低壁面温度;在相同吹风比下(M=0.75～1.75),12°复合扩张角孔型在气膜出流方向(40D范围区域)的平均绝热冷却效率明显要高于其他3种孔;吹风比M=1时,冷气出流复合扩张角增大的同时,冷却效率η≥0.3的覆盖面从X/D≈40减小到X/D≈8。同时,针对侧向扩张12°的7种不同后倾角的扇形孔进行了研究,发现其后倾角(范围10°～14°)的变化对冷却效率有一定的增强作用。研究成果可为燃气轮机透平叶片表面气膜孔的设计及升级改进提供参考。     

发散孔纵向波纹隔热屏气膜冷却特性研究

对燃烧室内开有发散孔的纵向波纹隔热屏进行了数值模拟。研究隔热屏的四种结构参数开孔率、波纹板高度、气膜孔直径和冷却通道高度的改变对隔热屏冷却效果的影响。研究表明：在气膜孔出流总量相同的情况下,3％开孔率比6％开孔率的隔热屏平均冷却效率较高;汉纹板高度对隔热屏冷却效果影响较大,波纹板无量纲高度B=1％时的隔热屏平均冷却效率最高;冷却通道高度和气膜孔直径对隔热屏冷却效果影响较小,冷却通道高度只影响隔热屏前段的冷却效率,发散孔气膜孔直径的大小则对隔热屏冷却效率几乎没有影响。     

气膜孔布置对旋流双层壁结构流动传热特性影响研究

为了研究气膜孔复合角和孔排布方式对冲击诱导旋流气膜双层壁冷却流动与耦合传热的影响,采用流固耦合的数值计算方法,对不同吹风比下4种气膜孔复合角的综合冷却效率和射流流动结构进行了详细研究,同时研究了两种气膜孔排布方式对旋流双层壁结构流动和传热的影响,揭示了4种气膜孔复合角θ下射流空间旋涡的形成、发展和演化过程,并对比分析了不同吹风比下4种气膜孔复合角对面积平均综合冷却效率和总压损失系数的影响。结果表明：气膜孔排布方式不同时,气膜孔复合角对综合冷却效率的影响相差较大。吹风比为1.0时,单旋流交错排布方式下增大气膜孔复合角可以有效提高射流的展向覆盖范围,从而提高综合冷却效率,θ=30°时的面积平均综合冷却效率比θ=0°时高约14.22%;双旋流交错排布时θ=30°比θ=0°时的面积综合冷却效率提高约4.58%。吹风比增加到2.0时,由于射流穿透主流吹离了冷却壁面,降低了气膜保护效果,使得冷却壁面均匀性变差,并且双旋流交错排布时尤为明显。随着吹风比的增加,两种气膜孔排布方式的总压损失系数均呈指数形式增加。     

不同气膜孔型在平板及叶片上的冷却效果研究

在燃气轮机透平叶片冷却设计中,气膜冷却是一种高效的冷却方式,能保护叶片表面不受高温燃气侵蚀。成型孔是目前广泛应用的气膜孔型。为研究孔型结构对冷却效率的影响作用,展开了数值计算。首先通过数值模拟方法研究了平板上4种不同结构的成型孔在吹风比为1.5～2.5工况下的流动换热规律,发现一种收敛缝型孔具有冷气覆盖面广、冷却效率高的特点。将带展向11°扩张角、流向10°扩张角的成型孔与收敛缝型孔布置在叶片上,进一步展开数值计算,发现在前者的气膜孔排布置下,冷却气分布更加均匀,冷气消耗量少,仅为收敛缝型孔的37%,更符合冷却叶片设计原则。     

“冲击-气膜”复合式结构冷却效果数值研究

分析了六种不同的"冲击-气膜"复合式冷却结构,将其应用在燃气轮机涡轮导向器叶片中弦区并对其内部流体的流动和换热进行了数值模拟.计算条件采用某燃气轮机的典型工况,流体物性参数随温度变化.将不同"冲击-气膜"复合式冷却结构的计算结果进行对比得出:冲击孔与气膜孔在展向的排列形式对冷却效果有较大影响,叉排明显优于顺排;随着冲击孔的后移,冷却气体对腔内壁的覆盖面积逐渐减小,冷却效果逐渐降低,流阻逐渐增大;在来自冲击冷却和气膜冷却多种影响因素的共同作用下,气膜孔角度和所在面曲率对冷却效果和流阻的影响被大幅度削弱.     

燃气轮机透平叶片传热和冷却研究：气膜冷却

气膜冷却作为燃气轮机透平叶片通流部分外部冷却的一种主流技术,经过多年来的研究改进,已在工程应用实践中得到了很好的发展.总结近年来燃气透平叶片气膜冷却的相关研究进展,重点介绍了一些新型气膜冷却结构的研究情况,基于当前研究热点和发展趋势,结合作者在这方面的研究经历,指出了气膜冷却研究及其应用的发展方向.鉴于新型气膜孔、组合气膜孔以及涡发生器与气膜孔的组合在气膜冷却性能方面具有较大优势,未来将深入研究其在实际透平中的应用问题.     

燃烧室壁面冷却特性数值模拟

针对航空发动机与燃气轮机燃烧室温升提高带来的壁面冷却问题,采用数值模拟方法研究多斜孔、复合角、冲击/气膜3种不同壁面结构形式的冷却特性,对比分析燃烧室近壁面流场和温度场分布以及有效温比与阻力损失随冷却孔尺寸的变化规律。研究表明:在冷却空气质量流量保持不变时,改变冷却孔直径对3种壁面结构的冷却性能会产生显著影响,孔径越大,阻力损失越小,冷却效果越好;在冷空气单位面积质量流量为20 kg/(m~2·s)条件下,当多斜孔孔径由0.3 mm变为0.8 mm时,平均有效温比从0.775减少到0.451,阻力损失从0.117增加至0.140,热侧壁面平均温度升高280.316℃;冲击/气膜冷却结构明显优于相同孔径的复合角冷却结构与多斜孔冷却结构;冲击/气膜冷却结构后导流环处有效温比最高可达到0.95。     

开槽气膜孔结构对气膜冷却和流动特性的影响

运用数值模拟的手段,从流动特性和冷却特性两方面评价了各种开槽气膜冷却孔结构的优劣。从流动的机理揭示了在相同的槽深下,不同的横槽结构对改善气膜冷却效率和流量系数的影响,并比较了在气膜孔出口和入口均开有横槽后对流动和冷却特性的影响。结果表明：开横槽后,气膜孔出口下游的冷却效率得到不同程度的改善,吹风比越大,改善的程度越明显。在横槽下游5D-10D的范围内,冷却效率的改善程度最大;在气膜孔出入口处均开有斜横槽的结构和用圆角过渡气膜孔入口处的横槽均是提高气膜冷却效率和减小气膜孔流动阻力的有效措施,而在气膜孔出口处的横槽用圆角过渡则不利于改善气膜冷却效果。     

燃气轮机透平叶片传热和冷却研究：内部冷却

随着燃气轮机透平进口温度的不断提高,其换热与冷却问题已然成为现代高性能燃气轮机研发中亟待解决的核心关键技术之一.透平叶片的冷却可以分为内部冷却和外部冷却,结合作者近年的研究工作,详细综述了燃气轮机透平叶片内部换热与冷却问题的研究现状与进展,着重介绍了叶片内部蛇形通道冷却、叶片内部冲击冷却和前缘的旋流冷却及尾缘柱肋冷却,指出了它们各自在相关方面需要进一步开展的工作.其中：在蛇形通道冷却方面,需要进一步研究旋转状态下蛇形通道内流动与换热特性、发展高性能的扰流装置及通道弯头结构、设计新颖高效的叶顶内部冷却结构、获得带气膜孔或冲击孔的蛇形通道内的换热与冷却特性;在叶片前缘内部冲击冷却方面,需要研究不同曲率面上的冲击冷却换热特性、旋转条件下的冲击冷却以及冲击气膜复合冷却特性;在旋流冷却方面,需要对其结构参数的影响开展进一步的广泛研究,并开展旋转状态下旋流冷却特性的研究;在尾缘柱肋冷却方面,需要进一步研究复杂流场下柱肋阵列通道中的流动换热与众敏感因子之间的关系.     

涡轮叶片尾缘气膜冷却耦合传热的数值模拟

采用耦合方法对燃气轮机涡轮叶片尾缘气膜冷却流场进行数值模拟,并与绝热方法下的结果进行对比,得到不同吹风比和不同吸力面厚度下的气膜冷却规律。结果表明:与绝热方法相比,采用耦合方法时气膜冷却效率曲线更平缓,吸力面温度分布均匀,压力面尾部上方区域温度梯度较大;增大吹风比可以减弱吸力面导热对气膜冷却效率的影响,且能有效抑制流体与壁面的分离;随着吸力面厚度的增加,0.6～0.76等温度比线区域内流体温度发生变化,在劈缝出口下游温度升高,在下游的远距离处温度降低。     

孔型对水雾/空气气膜冷却特性影响的数值模拟研究

在平板表面分别开设了圆柱孔、展向扩张孔和收缩扩张孔。对比研究了3种孔型的纯空气气膜冷却和水雾/空气气膜冷却特性。在3种吹风比：0.66、1.04、1.44下展开研究。将圆柱孔的数值计算结果与文献中的实验结果进行对照以验证水雾/空气冷却数值计算方法的正确性。对3种孔型下冷却气体混合物的无量纲速度矢量图和部分水雾颗粒的运动轨迹进行了比较和分析。对3种孔型中心线和展向平均气膜冷却效率进行了比较和分析。结果表明：圆柱孔和展向扩张孔射流形成的肾形涡将水雾颗粒抬离平板表面。收缩扩张孔射流形成的肾形涡增强了水雾颗粒的展向扩散并将靠近孔口两侧区域的水雾颗粒逐渐抬离平板表面。对于圆柱孔和展向扩张孔,其射流形成的肾形涡削弱了水雾颗粒对于展向平均气膜冷却效率的提高作用,收缩扩张孔水雾/空气冷却的展向平均气膜冷却效率在3种吹风比下均大于0.6,当吹风比为1.44时,收缩扩张孔的展向平均气膜冷却效率约为展向扩张孔的2倍,圆柱孔的4倍。2种冷却方式下,在吹风比从1.04增大到1.44时,展向扩张孔中心线气膜冷却效率降低0.3左右,而收缩扩张孔中心线冷却效率的降幅小于0.1。     

入射角度对缩放槽缝孔气膜冷却效果的影响

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0.5、1.0、1.5和2.0的情况下,数值研究了入射角度(α=25°、45°和60°)对缩放槽缝孔气膜冷却效果的影响,对不同入射角度的气膜冷却整体效果进行了对比分析。结果表明:在任何吹风比的情况下,α=25°喷射时的冷却效率高于其它喷射角的冷却效率,并且随着吹风比的增大,小角度喷射优于其它喷射角的趋势也越来越大;入射角度为45°和60°的气膜孔沿孔排下游的冷却效率在下降过程中重新升高然后又继续下降,60°喷射角的上升趋势略大于45°角的上升趋势;大角度喷射时,在气膜孔下方生成了强度较强的反向涡旋对,两个旋涡之间的距离较近,冷却气流的附壁性较差,冷却效率较低。小角度喷射时,所生成的反向涡旋对与大角度喷射相比尺度较小、强度较弱,冷气射流对主流的阻碍作用比较小,冷却效率较高。     

旋转对复合角度气膜冷却叶片的数值模拟

采用Realizable k-ε紊流模型并结合SIMPLEC算法,对前缘复合角度α=30°、β=45°,α=90°、β=45°的动叶栅在不同旋转状速度下的气膜冷却效率进行计算。分析了不同转速、吹风比、叶片前缘射流角度对气膜冷却效率的影响。计算结果表明:旋转导致冷却射流向叶顶偏移,转速越高气膜冷却效率越低;高转速时叶盆区域有回流涡旋形成;高吹风比使得冷却射流在吸力面的贴壁性变差;比较两种前缘冷气喷射角度的计算结果可以看出,前缘冷却气流喷射角度较小时的气膜冷却效果较好。     

叶片前缘气膜冷却离散孔下游流动特性的试验研究

以燃气轮机叶片为研究对象,设置主流风速为10 m/s,采用热膜风速仪作为测量工具,对气膜冷却叶片压力面和吸力面下游指定位置的二维速度进行了测量.结果表明:当射流比增大时,压力面和吸力面主射流掺混中心上移,在叶片型面曲率梯度较大处会出现回流现象,混合流体贴壁性变差.吸力面速度u梯度明显增加,吸力面流体贴壁性好于压力面.随着χ/d的增加,压力面一侧速度u逐渐变得不规则,在叶片曲率较大处的近壁区出现了明显的二次流,吹风比对吸力面一侧速度v的影响比对压力面一侧的影响小.     

大型轴类工件喷气冷却流动和传热特性的数值模拟

以某喷气冷却装置为参考,对缝隙喷气冷却大型轴类工件展开研究.通过数值模拟研究了具有两相对缝隙的大型轴类工件(直径D=1 000～3 000 mm)喷气冷却装置内的漉动传热特性,对比数值计算结果与实验数据验证了模型预测的准确性,探讨了大型喷气冷却装置内部气体的流动特点,分析了双缝隙喷气冷却轴类工件的传热规律,获得了轴类工...     

重型燃气轮机透平第一级动叶气膜冷却特性数值模拟研究

采用Realizable k-ε湍流模型,并结合Simple算法和有限体积法对三维定常不可压缩N-S方程进行离散,对某重型燃气轮机透平第一级动叶在不同吹风比和主流湍流度条件下的气膜冷却效率进行了数值模拟。结果表明:气膜冷却能够有效地降低叶片表面的温度,但叶片前缘吹风比的改变对冷却效果的影响不是很大,在前缘滞止线两侧仍然存在较大的高温区;在压力面侧和吸力面侧,随着吹风比的增大,沿叶片展向平均冷却效率分布都得到了提高;低吹风比时,吸力面靠前缘区域孔排中的冷却孔保持单孔冷却特点,孔间区域冷却效果较差;主流湍流度对气膜冷却效果产生了明显的影响,但影响趋势因不同吹风比而各不相同,其对冷却射流的影响主要集中在气膜孔下游扩散上。     

气膜孔形状对冷却效率影响的数值研究

采用控制容积法对三维定常不可压缩雷诺时均紊流方程(N-S方程)进行了离散,并在吹风比M为0.6和1.2的情况下,利用非结构化网格及两层k-e湍流模型,对气膜孔几何形状对涡轮叶片气膜冷却效率的影响进行了数值模拟,得到气膜孔附近的流场分布.结果表明:圆柱形孔的冷却效率随吹风比的增大而明显降低.前向扩张孔的冷却效率优于圆柱形孔,射流在叶高方向上扩展较广,在侧向孔间区域的气膜冷却效率较高.缩放槽缝孔在不同吹风比下的冷却效率均高于圆柱形孔和前向扩张孔,而且在孔下游较远区域,2个孔之间沿叶高方向的气膜覆盖性较好.缩放槽缝孔和前向扩张孔不同程度地抑制了反向涡旋对的产生,因而提高了射流对壁面的贴附性,增强了壁面的冷却效果.     

透平叶顶气膜冷却效果数值研究

采用三维数值模拟方法,研究了GE E3发动机第一级透平动叶叶顶间隙内的气膜流动与换热特性,评估了气膜吹风比M分别为0.5、1.0和1.5时,对叶顶换热系数以及冷却效率的影响.计算结果表明:叶顶气膜冷却空气改变了叶顶泄漏流动特性,随着吹风比的增加,叶顶间隙内的泄漏流动区域不断缩小,从而导致叶顶间隙泄漏量不断减小;随着气膜冷却吹风比的增大,叶顶平均换热系数逐步降低;在M=1时,冷却效果最佳.