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.     

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.     

平板气膜冷却技术

通过数值模拟研究了双孔平板的气膜冷却效率随吹风比和不同孔型的变化情况.其中孔型分别为圆柱孔、扩张孔和复合孔,它们的射流角均为30°,扩张孔的扩张角为1.79°,复合孔是由圆柱孔和扩张孔结合而得到的新型孔.利用CFD软件对模型进行数值模拟,采用单排双孔模型.对比分析了圆柱孔、扩张孔和复合孔的冷却情况.     

旋转状态平板收敛缝形气膜孔改善 冷却效果的数值研究

数值研究了旋转状态下收敛缝形气膜孔结构的冷却特性，并与圆形孔对比，得到收敛缝形气膜孔具有改善气膜冷却效果的特性。结果表明：旋转条件下，气膜的偏移使得展向冷气覆盖的区域增大，收敛缝形气膜孔的展向冷却有效范围明显优于圆形孔，同时对主流的穿透率较低，说明旋转时收敛缝形气膜孔的贴壁性依然较好；各种转速条件下，圆形孔的气膜在大吹风比工况呈现脱离壁面的特点，而收敛缝形气膜孔可以更好地形成气膜保护壁面，从而增强冷却效果；研究范围内，随着吹风比的增加，收敛缝形气膜孔的优势越加明显，虽然气膜孔出口处出现冷却效率稍低的现象，但在冷却范围、冷却效率以及冷却均匀性等方面均优于圆形孔，从而可起到改善冷却效果的作用。     

新型缩放槽缝孔气膜冷却效率的数值研究

基于控制容积法对三维定常不可压缩N-S方程进行离散,采用分区域非结构化网格及两层k-ε湍流模型,在吹风比M=0.6～1.5的情况下,对新型缩放槽缝形气膜孔进行了详细的平板气膜冷却数值汁算,得到了在喷孔射流下游处及叶高方向上的气膜冷却效率,并研究了其孔长与孔径比L/D对冷却效率的影响.计算结果表明:高吹风比对缩放槽缝孔沿中心线冷却效率的影响较为复杂;缩放槽缝形气膜孔下游的冷却效率并不随吹风比的变化而单调变化,而是在吹风比为1.0时存在最佳值;在孔口下游较远区域,两个相邻孔之间沿叶高方向的气膜覆盖性较好;缩放槽缝孔的冷却效率随着其孔长与孔径比L/D的增大而增大,当L/D>8时,增加的幅度趋缓.     

气膜冷却平板通道的数值模拟

对无肋和带45°肋气膜冷却平板通道的三维对流换热与导热耦合传热问题进行了数值模拟。网格划分采用非结构化网格,湍流模型为SSTk-ω模型,近壁处采用壁面函数法,采用SIMPLEC算法求解速度和压力的耦合。计算获得了无肋和带45°肋气膜冷却平板的流场分布和平板内外表面的平均温度和平均换热系数。计算结果表明,带45°肋的气膜冷却平板表面平均温度较无肋气膜冷却平板表面平均温度低,而近气膜孔区域冷、热表面平均换热系数较无肋时高,而且肋的存在对增大冷空气出流比有利。     

孔间距对缩放槽缝孔气膜冷却效率的影响

基于有限体积法对三维定常不可压缩N-S方程进行离散,采用分区域非结构化网格及两层k-ε湍流模型,在吹风比M为0.4、0.8和1.6的情况下,数值研究了孔间距(P/D=3.0、3.5、4.0)对缩放槽缝孔气膜冷却效率的影响,对不同孔间距气膜冷却整体效果进行了对比分析。结果表明:孔间距较小时,在孔口附近及孔间区域发生强烈的气膜干扰,冷却气膜分布比较集中,在孔口下游近处冷却效率较高;随着孔间距的增大,气膜覆盖面积增加,孔口附近的冷却效率低于小孔距,各个孔沿展向的冷却效率也有所降低,在孔下游远处发生的气膜干涉较为明显;在低吹风比时,孔间距较小气膜孔的冷却效果最好,在高吹风比时,孔间距较大气膜孔对壁面的冷却效果与低吹风比相比有大幅度的改善。     

振动平板气膜冷却的数值分析

采用数值方法模拟振动平板单孔气膜冷却过程,对比不同振动频率、不同振幅和不同吹风比下气膜孔中心线下游绝热壁面的有效温比曲线,并分析了气膜孔周围壁面相对静压分布.结果表明:振动会削弱气膜冷却效果;在吹风比λ=1.0下,不同振幅、不同振动频率振动时绝热壁面的有效温比比稳态时小,且在x/D10时,2种情况下有效温比的差距更明显;同一振动下,在吹风比小于0.6,x/D5振动时绝热壁面的有效温比比稳态时大,在x/D5振动时的有效温比比稳态时小;在吹风比大于0.6振动时的有效温比始终比稳态时小;振动时气膜孔周围壁面相对静压会出现周期性变化.     

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。     

双叉排孔脉动射流气膜冷却效率的实验与数值模拟研究

采用高精度红外热像仪测量了平板绝热气膜冷却效率,比较了双叉排孔和单排孔气膜冷却效率,分析了吹风比(M=0.65,1.0,1.5)和脉动频率(St=0,0.01,0.015,0.025)以及孔间作用对气膜冷却效率的影响,结合数值计算得到的瞬态流场和温度场分析了脉动射流气膜冷却下的流动传热机理。结果表明：在稳态射流工况下,单排孔的气膜冷却效率随着吹风比的增加而减小,双叉排孔的气膜冷却效率却随着吹风比的增加而增大;在脉动射流时,单排和双叉排孔的气膜冷却效率在低吹风比下低于稳态射流,在高吹风比下,脉动射流对气膜冷却效率的影响减小,且低频脉动射流气膜冷却效率略高于稳态射流。     

不同吹风比下双出口孔射流气膜冷却数值模拟计算

为了获得吹风比对新型气膜冷却孔冷却效率的影响规律,利用Fluent软件求解Navier-Stokes方程,对吹风比分别为0.5、1.0、1.5和2.0时单入口-双出口孔射流冷却效率进行了数值模拟计算,得到了不同吹风比下的流场和冷却效率.结果表明：吹风比对冷却效率有很大影响;随着吹风比的提高,不同次孔方位角下的冷却效率变化规律也不相同;当次孔方位角γ=30°时,吹风比为1.0时的冷却效率最高;当γ=45°时,冷却效率随着吹风比提高而提高;当γ=60°时,冷却效率随着吹风比提高而降低;在研究高吹风比对气膜冷却效率的影响时,γ=45°最佳.     

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。     

AGTB叶型前缘气膜冷却效果的数值模拟研究

以AGTB叶型为对象,对文献中获取换热系数的两种计算方法进行了对比研究,结果表明维持主流和射流温度一致的等温法不能很好地反映气膜冷却流动中的传热现象,而主流和射流有温差的非等温法使得传热现象和流动现象都得到了很好的反映,且更接近实际物理问题.而后以实际发动机中的AGTB叶型为研究对象,将开槽气膜冷却孔结构应用于该叶片,...     

尾迹对气膜冷却影响的三维非定常数值模拟

采用数值计算的方法，对带有前导静叶的涡轮动叶气膜冷却进行三维非定常数值计算，研究了静叶非定常尾迹对动叶气膜孔周围流场及绝热冷却效率的影响，同时比较了在吹风比M=0．8和M=1．5时动叶表面气膜冷却效果的变化。结果表明，静叶尾迹使动叶压力面和吸力面上冷却气流的流场发生改变，降低了叶片表面的气膜冷却效果。另外，吹风比从0．8增大到1．5时，静叶非定常尾迹对动叶气膜冷却效果的影响降低。     

旋转对涡轮叶片气膜冷却影响的数值模拟

采用数值模拟的方法对旋转涡轮叶片表面的气膜冷却效率进行了研究,同时对涡轮静叶栅和动叶片在不同的旋转速度下分别进行计算,分析不同转速、吹风比和冷却气流喷射角度对气膜冷却的影响.计算结果表明,旋转使压力面气膜冷却效率降低,转速越高,气膜冷却效率越低;在吸力面冷却孔下游附近区域,叶片旋转对气膜冷却效率的影响不大,但叶片旋转使离冷却孔较远处的吸力面冷却效率升高.同时,在旋转状态下,靠近叶顶区域的叶片表面气膜冷却效率升高.     

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算法和有限元法对体积进行离散,研究了静止叶栅前缘射流孔在2种复合角度α=30°、β=45°和α=135°、β=45°,不同吹风比M=0.5、M=1.0、M=1.5,主流温度为T∞=293 K时的压力面和吸力面温度场,并分析了典型工况下的气膜冷却效率.结果表明:相同复合角度、不同吹风比的压力面和吸力面冷却效率曲线变化趋势一致;前缘复合角度射流对整个吸力面的冷却效率有较大影响,随着吹风比的增大,冷却效率提高;当前缘复合角度为α=30°、β=45°时,压力面冷却效率随着吹风比的增大而提高,而当前缘复合角度为α=135°、β=45°时,随着吹风比的增大,压力面的冷却效率降低.     

利用波形槽改善气膜冷却效率的数值研究

为研究具有波形槽结构的冷却孔出口和波形槽扩散角对涡轮叶片气膜冷却效率的影响,设计了3种不同的扩散角波形槽结构,采用数值模拟方法研究了波形槽的下游速度场、温度场及壁面的气膜冷却效率,分析了波形槽及其扩散角对气膜冷却效率的影响。结果表明:在同一吹风比M=1.5时,与标准圆柱孔相比,波形槽结构的展向平均气膜冷却效率提高200%~300%;与横向槽相比,波形槽结构展向平均气膜冷却效率提高60%~120%;小吹风比条件下,3种扩散角波形槽结构的平均气膜冷却效率差别不大,大吹风比条件下,小扩散角波形槽结构具有较高的平均气膜冷却效率。