带复合角度气膜孔的透平叶片冷却流场大涡模拟

采用大涡模型模拟了吹风比M=1.5时静止叶栅前缘射流孔为复合角度的流场结构,计算和分析了复合孔排叶片流场的三维流动结构及不同截面的涡量分布随时间的变化.结果表明:由于射流的存在,增加了流场的复杂性,流场中同时存在射流剪切层涡、马蹄形涡系、反向旋涡对和尾迹涡等4种涡系结构;叶片压力面和吸力面由于复合孔排的连续布置,冷却效果较好;射流的旋涡脱落呈周期性变化,第7排射流孔旋涡的脱落周期为0.04 s;在压力面侧,CVP的形成比吸力面早,涡的影响区域也相对较大.     

基于模态分析的非定常气膜冷却数值研究

为了研究非定常气膜冷却的强化冷却机理,利用大涡模拟对非定常圆孔气膜冷却进行数值模拟,研究了4种不同脉动频率下(St=0,0.2,0.3,0.5)的涡结构与气膜冷却效率,并利用动态模态分解对计算结果进行分析,研究流场与换热的耦合机理。结果表明：脉动频率对非定常射流气膜冷却效率的影响较大,当St=0.2时气膜冷却效率与稳态射流相似,当St=0.3时气膜冷却效率比稳态高,而当St=0.5时气膜冷却效率反而会降低;当St=0.3时非定常射流能抑制下游发卡涡的生成并加速其破碎,从而提高气膜冷却效率;射流脉动产生了很多次生涡结构,这些涡结构促进了在流向方向上射流与主流的掺混,但是抑制了展向上的射流与主流掺混。     

旋转气冷涡轮流场的数值模拟

应用数值计算的方法,对采用气膜冷却的涡轮叶片在静止和旋转状态下的流场进行数值模拟,研究涡轮叶片在静止和旋转状态下冷却射流和主流的掺混流场结构.结果表明:涡轮叶片压力面极限流线在静止和旋转两种工况下的区别比较明显.旋转使得马蹄涡的尺度有所加强.压力面和吸力面侧都存在明显的反向涡对结构;在吸力面,反向涡对的对称性比压力面的好;反向涡对随着下游距离的增大逐渐减弱,同时旋转使得掺混流场的轨迹有向叶片径向偏转的趋势.旋转工况下涡轮压力面侧反向涡对的衰减速度和程度变化明显,吸力面侧涡对的涡心位置更靠近叶片壁面,涡的影响区域也较小.     

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。     

流向涡对扇形孔气膜冷却效果影响的实验研究

在平板气膜实验台上安装涡流发生器(VG)来模拟叶栅中的流向涡,利用红外相机测量吹风比M=0.5～2.5时的气膜冷却效率和传热系数,分析二次流对扇形孔气膜冷却效果的影响.结果 表明:流向涡增强了主流与气膜射流的掺混,导致气膜绝热冷却效率明显下降以及覆盖面积减小,气膜面平均冷却效率最高降低了63％;当吹风比达到2.5时,流向涡能抑制扇形孔射流在高吹风比时的吹离趋势,抵消了部分主流与冷气掺混导致的气膜横向平均冷却效率降低的影响;流向涡使气膜与壁面的横向传热系数比增大了3.5％,壁面的热通量比最高上升了20％,在低吹风比时气膜失去了对壁面的保护作用.     

入射角对气膜冷却效果影响的数值研究

采用Realizablekε-湍流模型对吹风比M=1.0时平板单圆孔不同入射角度的气膜冷却流场进行了三维定常数值模拟,得出了沿程速度、气膜冷却效率及壁面努塞尔数的分布,并对流场的流动和传热特性进行了详细分析.结果表明：随着入射角度的减小,射流在沿程方向的影响区域有所增加,最大速度点的位置逐渐下移,但并不是按入射角度减小成线性递减;在各种射流角度下,最大冷却效率均出现在气膜孔下游附近的区域,并沿程逐渐降低;当5〈x/d〈20时,冷却效率在入射角度α=10°时最大,α=70°时最小;射流下游壁面的Nu在分离点附近出现峰值,吹风比相同时,α=10°时Nu最大,α=70°时最小;在流动区域内存在反向涡旋对,小角度射流时气膜良好的贴壁性抑制了反向涡旋对的抬升和发展,其换热效果在展向的影响范围相对较小.     

顺压梯度环境下成型孔气膜冷却射流的大涡模拟

为了研究燃气轮机透平内部流向压力梯度(Streamwise Pressure Gradient, SPG)对气膜冷却效果的影响。采用大涡模拟(Large Eddy Simulation, LES)方法研究了在密度比1.5,吹风比1.6,孔出口加速系数K=1×10~(-6)条件下成型孔的冷却特性。通过实验对LES结果进行验证,比较零压梯度(Zero Pressure Gradient, ZPG)和顺压梯度(Favorable Pressure Gradient, FPG)的雷诺时均模拟(Reynolds Average Navier-Stokes, RANS)结果,并分析LES得到的时均流场和瞬时流场。结果表明:FPG促进发卡涡生成,促进主流和射流的掺混,同时抑制发卡涡抬升,对冷却有利。     

复合角双射流气膜冷却的研究

采用数值模拟方法,研究了不同吹风比下孔排间距对复合角双射流气膜冷却特性的影响。结果表明,较小的孔排间距形成的反肾形涡为上下结构且不对称,冷却效果提高有限;而较大的孔排间距有利于形成左右对称的反肾形涡,能够在下游形成大面积的展向冷气覆盖,同时射流更好地贴附于壁面,大大提高了冷却效率;并将该结构应用到某重型燃气轮机静叶上,取得了良好的冷却效果。     

平板气膜冷却孔下游湍流场的试验研究

利用二维粒子图像测速（PIV）技术,在吹风比为0.5和1.0、雷诺数为480时,对平板直冷却孔和弯曲冷却孔下游湍流场的流动结构进行了测量,得到了中心截面及射流下游4个流向横截面上的平均速度、涡量分布以及烟雾显示照片,并分析了弯曲冷却孔通道对下游涡结构沿流向演化过程的影响.结果表明：冷却孔射流具有较低的射流轨迹,可以增强气膜的贴附效果,有利于提高冷却效率;弯曲冷却孔能为气膜提供较强的横向动量,使其具有较高的横向扩展能力,从而改善气膜的侧向覆盖效果.     

扇形孔出口宽度对气膜冷却效率影响

数值模拟了不同出口宽度的扇形孔射流在不同吹风比下的气膜冷却效率,侧重于分析涡流结构和涡量对冷却效率的影响。结果表明,出口宽度增大不但减小了涡量,还改变了涡流方向。出口宽度增大到2.5倍入口直径时,孔中心下游冷气流线由燃气指向壁面,有效改进冷气贴附性。气膜孔出口宽度越大,冷却效率越大。随着吹风比的增加,气膜孔出口宽度对冷却效率影响越明显。