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。     

冲角和孔排间距对端壁气膜冷却效率的影响

燃气轮机在变工况运转时透平叶栅和级的特性对燃机总体性能影响极大,而叶栅端壁气膜冷却效率是关键因素。为了提高端壁气膜冷却效率,通过优化气膜孔间距排列的方法,在叶栅端壁20%、50%、90%轴向弦长处和距前缘-10%轴向弦长端壁处布置单排带复合角度的圆柱形气膜冷却孔,运用CFD(计算流体动力学)方法对冲角(10°、0°、-10°)在不同吹风比(1、1.5、2)条件下端壁气膜冷却效率进行对比分析。结果表明:采用气膜孔非等距排列方式能有效缓解因横向压力梯度变化引起的马蹄涡在压力侧的阻隔作用,压力侧冷却效率较高;高吹风比的冷却射流会出现抛射冷却,能有效抑制冷却射流脱离壁面,壁面平均冷却效率提高;主流正冲角有利于提高端壁吸力侧气膜冷却效率,压力侧变化不大。     

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.     

涡轮端壁平均气膜冷却效率的正交模拟研究

在涡轮叶栅端壁21%、51%、81%轴向弦长处和距前缘9%轴向弦长端壁处布置4排圆柱形气膜冷却孔,运用CFD方法模拟吹风比、轴向倾角α和展向倾角β3个影响因素共同作用下的端壁平均气膜冷却效率,通过正交方案选出最优孔排布置方式.结果表明:吹风比对端壁平均气膜冷却效率的影响最大,展向倾角β影响次之,轴向倾角α影响最小;吹风比为2.0,轴向倾角α为30°,展向倾角β为45°(第1、第3排冷却孔与y轴负方向成45°,第2、第4排冷却孔与y轴正方向成45°)布置时,端壁表面平均气膜冷却效率最高,为3个因素影响下的最优方案.     

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.     

涡轮叶片综合冷却效率实验的缩尺效应

基于简化叶片的传热实验,研究缩尺模化对综合冷却效率的影响,得到缩尺效应随主流雷诺数和流量比的变化情况,以及毕渥数和热障涂层厚度对综合冷效缩尺效应的影响规律。采用一维传热模型,量化分析了缩尺模化对综合冷却效率的影响,并在实验中得到验证。结果表明：缩尺比例为1.5时,缩尺叶片综合冷却效率相对基准叶片增加10%,且增幅随主流雷诺数和流量比增加;基准叶片导热系数由17 W/(m·K)增加至50 W/(m·K),缩尺叶片平均综合冷却效率差异由13.71%降至0.34%;热胀涂层厚度等比例缩尺可减小缩尺效应的影响,使缩尺叶片综合冷却效率差异由13.07%降至2.98%。     

冷却流量对涂层叶片冷却性能影响的数值研究

采用气热耦合数值方法研究了冷却流量对热障涂层气冷涡轮叶片冷却性能的影响,并对结果进行了对比分析。研究结果表明：热障涂层叶片的综合冷却效率随冷却流量的增加而增大,但增幅则逐渐下降。在吸力面上,附加热障涂层的效果更好。基准工况下,附加热障涂层,叶片表面温度可降低72.6 K,综合冷却效率增幅最大可达6.5%。在尾缘区域,热障涂层会阻碍热量从金属叶片表面向低温的流体传递,导致叶片表面性能下降,因此,只有配合高效的内冷技术,才能达到理想的冷却效果。     

叶片尾缘冷气喷射气动与传热性能分析

基于尺度自适应(Scale Adaptive Simulation,SAS)湍流模型,对叶片尾缘偏开缝射流尾迹结构、尾迹掺混损失和壁面冷却有效度在不同射流/主流速度比(VR)条件下的变化规律进行数值模拟研究。结果表明:VR为1.0时冷气对尾缘壁面的冷却效果总体较好;上、下板尾缘脱落涡的主导结构均为卡门涡,随着VR的增大,其脱落频率与旋涡强度增大,导致涡量和剪切应力升高,而尾迹掺混损失由湍流脉动能量和板后回流区长度共同决定;VR为0.5和1.0时尾迹掺混损失相差不大,VR为1.5时相比0.5时增大了4.53%。     

柱肋对缩放层板冷却结构流动和传热的影响

柱肋作为一种冷却通道内的强化换热技术,对提高层板结构的冷却效率有着重要意义。为了研究柱肋对双层板结构冷却性能和流场的影响,数值模拟研究了柱肋高径比分别为1,0.6,0.2,吹风比分别为0.3,0.6,1.0,1.5的原模型和等比例放大5倍模型两种尺度层板冷却结构的冷却效率。结果表明：高径比的变化对原模型冷却效率的影响更加明显,对放大模型的冷却效率影响非常小;吹风比越大,高径比对冷却效率的影响越明显,吹风比从0.3增大到1.5,高径比为0.6的柱肋比高径比为1柱肋的综合冷却效率提高了2%～3%;高径比为0.6的柱肋具有最大的相对压力损失,高径比为0.2和1柱肋的相对应力损失比高径比为0.6时低0.01%～0.07%。     

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。     

冷却蒸汽进口总压对转子冷却效果影响的数值分析

在不同冷汽进口总压条件下对超超临界汽轮机中压第一级进行了数值模拟,考察了冷却通道以及主流道内的流动状况,并对动叶表面以及叶根表面的温度场进行了研究。研究结果表明,对应所给出的最大与最小进口总压,冷却蒸汽对动叶吸力面的影响范围相差约10%的相对叶高,而叶根表面的最大温度仅相差0.6K左右。冷汽进口总压越大,冷却效果越好,但是冷汽对主流的干扰越强,将引起流动效率下降,因此,最佳冷汽进口总压的选取要综合考虑冷却效果和流动效率。     

异形孔气膜在近壁涡流中的鲁棒性分析

在平板射流模型中,利用涡流发生器模拟叶栅流场中复杂的近壁涡流动结构,通过面平均冷却效率和气膜有效覆盖比的变化情况,研究扇形孔和猫耳孔在近壁涡流环境中的鲁棒性。结果表明：流向涡在气膜孔下游与反肾形涡掺混,抬升反肾形涡,造成气膜冷却效率降低;猫耳孔的反肾形涡更加稳定,不容易被流向涡卷起;吹风比为1.0～2.0时,扇形孔面平均冷却效率下降9.3%～12.9%,猫耳孔面平均冷却效率下降1.0%～2.7%;扇形孔气膜有效覆盖比下降14.2%～29.0%,猫耳孔气膜有效覆盖比下降1.9%～4.6%。在含涡流的复杂流动环境中,猫耳孔具有更好的鲁棒性。     

动叶轮缘泄漏对非轴对称端壁端部损失及冷却的作用

应用数值方法研究了单级涡轮轮缘泄漏对动叶非轴对称端壁端部二次流损失及冷却效果的影响,得到了不同封严冷气质量流量比(MFR)下的叶栅内部流场特征,并与轴对称端壁模型进行对比。结果表明:轮缘泄漏吹扫使得非轴对称端壁对气流偏转的改善作用削弱;当冷气量从0.4%增大到1%时,相比于轴对称端壁模型,应用非轴对称端壁所产生的轴向涡量减小量从11.02%下降到了5.65%,非轴对称端壁的效果明显减弱;封严气流在动叶非轴对称端壁表面形成了三角形的气膜冷却区域,但绝热气膜有效度在流动的周向以及轴向方向上较轴对称端壁均有一定程度的减小,主要发生在叶片吸力面角区以及压力面侧马蹄涡的偏转路径上。     

斜缝气膜冷却曲面模型的数值模拟

为研究燃气轮机叶片表面曲率对气膜冷却性能的影响,对二维斜缝曲面模型（凹面、凸面和平板）进行了数值模拟,选取冷却流体射流入射角35°、主射流密度比1.5,采用RNGk-ε湍流模型计算得到不同吹风比（0.5、1.2和2.0）下斜缝气膜冷却曲面模型壁面的传热系数.结果表明：低吹风比（M=0.5）时,壁面压力梯度越大,传热系数越小;中吹风比（M=1.2）时,射流对主流扰动加剧,传热加强,凹面总体传热系数比凸面小;高吹风比（M=2.0）时,曲率对传热系数的影响减弱,传热系数差异不大.     

涡轮叶片端壁表面温度相似性研究

以燃气透平端壁气膜冷却特性为研究对象,在满足流-固耦合换热温度场相似性条件的基础上,首次提出了一种新的气膜冷却端壁表面温度分布预测方法。提出端壁表面温度场相似性成立条件:(1)主流雷诺数和吹风比相同,维持主流温度恒定,改变冷气进口温度;(2)维持冷气进口温度恒定,改变主流温度。首次用定量的方法,描述流-固耦合换热温度分布图的相似性现象,发现当冷气进口温度恒定为750 K时,主流和冷气温差大于150 K才有较好的相似性;当主流温度恒定为1 700 K时,主流和冷气温差大于250K才有较好的相似性。预测方法要求具有两组已知温度场。当被预测工况与已知工况之间的温差在[-400 K,200 K]区间之内时,预测偏差小于5.5%。     

进口气流冲角对环形叶栅端壁气膜冷却效率的影响

进口气流冲角变化会改变端壁横向压力梯度致使端壁气膜冷却气体覆盖发生变化。本文在环形叶栅端壁30％、60％、90％轴向弦长处和距前缘-10％轴向弦长端壁处布置单排圆柱形气膜冷却孔,运用CFD方法在吹风比为1．0条件下对来流冲角为10°、0°和-15°时端壁气膜冷却效率进行对比分析。结果显示冲角由正值到负值,压力面和吸力面一侧两支马蹄涡夹裹冷却气膜主体向压力面偏移,致使吸力面一侧端壁未冷却区域扩大,压力面一侧端壁未冷却区域缩小。吸力面一侧端壁气膜冷却效率沿流向逐渐提升,并在流道中、下游完全冷却覆盖端壁,而压力面一侧端壁一直未能获得冷却气膜覆盖。     

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。     

设置四面体斜坡对气膜冷却特性的影响

利用四面体斜坡抑制圆孔下游的CVP(反向旋转涡对),采用PLIF(平面激光诱导荧光)技术,在吹风比为0.5、1.0、1.5和2.0的情况下,针对四面体斜坡与圆形气膜孔的6种相对布置方式,实验研究并分析设置四面体斜坡后对气膜孔下游气膜冷却特性产生的影响。实验研究表明:相对于气膜孔,6种四面体斜坡模型都可以抑制CVP,提高气膜冷却效率;在6种四面体斜坡模型中,气膜孔上、下游同时放置逆风斜坡的组合模型可以取得最长的气膜长度和最高展向平均效率,当吹风比为0.5和2.0时,气膜孔出口下游x/d=3面上的展向平均效率分别是未设置四面体斜坡时的3.7和4.9倍。     

气膜孔堵塞对叶片吸力面气膜冷却的影响

为阐明热障涂层工艺造成的气膜孔堵塞对气膜冷却的影响机理,采用数值模拟方法研究了叶片吸力面在气膜孔堵塞比为0.2、0.5和0.8,吹风比为0.5、1.0、1.5和2.0时的气膜冷却效率变化.结果表明:堵塞比越大,气膜冷却效率下降幅度越明显,孔下游气膜覆盖面积越小;相比无堵塞情况,堵塞比为0.8时展向平均气膜冷却效率退化为...     

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.