不同孔型对气膜冷却效果影响的数值模拟

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1、浙江理工大学学报!第!"卷!第!期!#"$!年%月&'()*+,'-./012+*34526705/8*290):2;<=',>!"!?'>!!@+<#"$!文章编号!!"#$6$%&!"'(!$#($6($H(6(&不同孔型对气膜冷却效果影响的数值模拟张晓东$$董若凌$$施红辉$$陈!伟$$#$沈伟杰$$张!苹$"$>浙江理工大学机械与自动控制学院!杭州!$""$B%#>杭州职业技术学院!杭州!$""$B#!!摘!要!为了解气膜冷却技术中孔型作用的影响!采用数值模拟方法!在主流速度#"U(:!湍流度TS!主&射流温分别为!!!Z和#D!Z的条件下!考察无复合角&流向角为!%e时的圆柱孔

2、&收缩6扩散孔和反涡孔进行平板气膜冷却的冷却效果$其中!圆孔孔径$#>RUU!长径比!>%!与集气室连接面形式同于其余孔型$模拟过程中!湍流V0+,62G+,0Y-$方程!标准壁面函数处理边界!4W@KbMI算法实现压力&速度耦合$结果表明'由于反涡射流抑制了肾型涡的形成并减弱了肾型涡的强度!反涡孔的冷却效果和覆盖区域优于其他两孔型$关键词!气膜冷却%数值模拟%孔型%肾型涡中图分类号!=#!$>#!!!文献标志码!J(!引!言!!数值模拟方法为了获取更高的燃机效率%现代燃气轮机一直朝$>$!计算模型(%)(T)着高压比和高涡轮入口温度的方向发展%导致涡轮部计算模型以K20;G)

3、42*/+等的实验件的热载荷不断增加&为确保燃气轮机正常运行%高为参考%其系统如图$所示&图$中圆柱孔孔径<效冷却技术的应用显得极其迫切&气膜冷却技术是h$#>RUU%测试平板长%"<%前缘距孔口前缘目前燃气机涡轮部件上广泛采用的有效冷却保护技$D<%各孔间距!<%长径比为!>%&`+,;0):和b0<6(R)术%准确预估气膜冷却效果对涡轮叶片等的设计具有,0a曾利用该系统对若干孔型在不同复合角和流向($)重要意义&孔型是影响冷却效果的主要因素之一&角条件下的气膜冷却特性进行过研究%本文则对在相早期%较多的研究集中在圆孔型气膜冷却喷孔下游流同实验条件下圆柱孔'收缩6扩散孔和反涡孔的冷却(

4、#)场的流动和传热特性上%L',H:;02*等将圆孔喷孔进流场及冷却效果进行分析%各孔型结构尺寸如图#&行梯形扩展后发现%单孔和排孔的冷却效果都显著提(!)高&进而%刘存良等将梯形扩展孔改变成收缩6扩(Q)散形孔后发现其冷却效果更好&J,'aX/(*30,等则创造性地设计了一种称为反涡孔的射流孔型%实验发现%此孔型也能得到良好的冷却效果&为了明确上述孔型的实际应用前景%本文以圆柱孔型'收缩6扩散孔型与反涡孔孔型为研究对象%对三种孔型的单孔平板气膜冷却情况予以数值模拟%了解并对比!种冷却图$!计算模型孔下游的流动和传热特性&收稿日期!#"$#A$"A#Q基金项目!浙江省自然科学基金资助项目

5、"C$"D"BTD#$浙江省科技厅公益技术研究工业项目"#"$#I#$"%##$浙江省重中之重学科和浙江理工大学重点实验室优秀青年人才培养基金".478@X#"$$Y"$$#作者简介!张晓东"$DBTA#%男%浙江海宁人%硕士研究生%主要从事汽车制造技术的研究&通信作者!董若凌%电子邮箱!H'*3)(',2*3!G:;(>0H(>5*第!期张晓东等!不同孔型对气膜冷却效果影响的数值模拟!Q$'!计算结果及分析#>$!速度场的分析冷却孔出来的射流与横向主流的相互作用%在冷却孔附近产生局部非常复杂的流动现象和漩涡结构%最明显的特征是在射流的下游形成一个支配冷图#!气膜冷却孔示意图却孔附近流场

6、的涡对%即所谓的肾型涡%其旋向相!!为简化计算%本文仅考虑单一角度射流%流向角(B)反&康顺等指出肾型涡会使射流流体抬离壁面%控制为!%e%收缩6扩散孔出口长">#<%宽!<$反涡会使冷却效果降低&截取5*%<%与5I平面夹角为Q"e%与53平面夹角为律%如图Q'图%'图T&#%e%基于各射流孔结构的对称性%模拟区域宽度限图Q为圆柱孔三种吹风比工况下对应的速度矢为$>%<&为避免进口效应%对射流的模拟扩展至上量图&图Q可见%有明显的肾型涡形成%吹风比大时游集气室入口

7、%该部件长B<%高Q<%采用铅垂向".肾型涡更强%射流的反向对称涡靠近射流轴线%涡中方向#进气&心离壁面距离最大%已经体现了一定的抬离现象&$>#!湍流模型及网格在中心线的两侧肾型涡的卷吸作用明显%使得冷却鉴于V0+,2G+,0Y-$湍流模型在气膜冷却的数射流抬离了壁面%这也正是后文给出的图R"+#中为(!%R)值研究中可获得较可靠的结果%本文也选择V06何吹风比的增加会导致在5*