涡轮叶栅内粒子沉积特性的数值研究

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaNov．252013V01．34No．112492．2499ISSN1000．6893CN11．1929／Vhttp：Ehkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn涡轮叶栅内粒子沉积特性的数值研究周君辉，张靖周*南京航空航天大学能源与动力学院，江苏南京210016摘要：为了揭示叶栅内部粒子沉积分布，减少叶栅内粒子沉积，数值研究了二维涡轮叶栅内部固体粒子运动与沉积特性，重点研究了粒径和气流进气角对叶栅内粒子运动与沉积特性的影响。基于EI-Batsh沉积模型，考虑了粒子与壁面碰撞所形成的黏附／反弹和离

2、去机制，编制了相应的粒子沉积计算模块集成在Fluent软件中，并利用相关实验数据对本文计算方法进行了验证。研究结果表明，较大粒径粒子随流性较差，碰撞率较高，黏附率较小，较小粒径粒子则相反；粒子沉积主要分布在叶片压力面中部，气流进气角对粒子沉积分布具有重要影响。关键词：沉积；两相流；叶栅；粒径；数值分析中图分类号：V231．1文献标识码：A文章编号：1000—6893(2013)11-2492—08航空燃气涡轮发动机在含砂尘环境中工作时，外部微细颗粒的侵入极易在涡轮叶片冷却结构中形成沉积堵塞，由此引发涡轮叶片冷却特性的变化，对涡轮叶片冷却结构的可靠性将构成严重的影响。微细颗粒侵入所诱发的航空燃气

3、涡轮发动机性能恶化和可靠性损伤问题，已成为国际上高度重视的一个研究课题[14]。国内外对于气固两相流动和固体颗粒运动特性的研究已十分广泛和深入，对于航空燃气涡轮发动机的外部微细颗粒侵入现象，大量研究已经表明其具有稀疏气固两相流动特征，颗粒之间的碰撞和相互作用极其微弱。就微细颗粒碰撞壁面后所产生的危害行为而言，目前国际上普遍关注两类问题[5]，即粒径相对较大的颗粒对壁面的磨蚀行为以及粒径相对较小的颗粒在壁面的沉积行为。在颗粒对壁面的磨蚀行为研究方面，国内外研究人员已对颗粒的磨蚀机理开展了较为深入的研究[6{]，颗粒撞击所形成的表面磨蚀主要由两部分构成：即垂直冲击速度引起的变形磨损和切向速度引起的

4、切削磨损，基于上述机理建立了颗粒磨蚀模型。相对于颗粒对壁面的磨蚀行为，粒径相对较小的颗粒在壁面的沉积机制更为复杂，在早期对于颗粒沉积的计算模型中，一般都假定颗粒与壁面接触后全部黏附于壁面[10

5、。这种假定显然与实际情况有很大出入，Brach和Dunn引入了颗粒临界捕获速度的概念[11

6、，认为只有当颗粒碰撞速度小于捕获速度，颗粒才能黏附于表面，否则弹离表面。进一步的研究表明，微细颗粒在壁面上的沉积不仅与微细颗粒和壁面的机械接触有关，而且与微细颗粒和壁面的流体动力接触相关。EI—Batsh和Haselbacher[12]在粒子临界速度基础上发展了包含黏附模型的粒子沉积模型，并对模型进行了实验验证，

7、基于上述机理，研究者针对表面和微细颗粒的物理属性建立了相应的捕获和沉收稿日期：2013-01-16；退修日期：2013-03．24；录用日期：2013-04-15；网络出版时间：2013—04．2510：12网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20130425．1012．002．html基金项目：国家自然科学基金(51276090)；江苏省普通高校研究生科研创新基金(OXLXl3—166)；中央高校基本科研业务费专项资金*通讯作者．Tel．：025-84895909E-mail：zhangjz@nuaa．edu．cn礅悬格武

8、ZhouJH．Zha

9、ngdZ．Numericalinvestigation∞particledeposit^oncharacteristicinsideturbinecascade．ActaAeronauticaetAs．tronauticaSinica．2013，34(11)；2492—2499．周君辉．张靖周．涡轮叶掇内粒子沉积特性的数值研究．航空学报。2013，34(¨)：2492-2499÷周君辉等：涡轮叶栅内粒子沉积特性的数值研究积模型，并对微细颗粒在壁面上的沉积形貌进行了理论研究[1¨5

10、。本文基于EI—Batsh沉积模型，采用数值计算方法对涡轮叶栅内的粒子沉积特性进行研究，分析研究不同粒径、气流进气

11、角等因素对粒子运动以及沉积特性的影响和作用机制。1计算模型和计算方法1．1气固两相流动模型假设粒子为坚硬的球体，并简化为点位于球体中心。壁面假设为光滑壁面，不考虑粗糙度的影响。针对稀疏气固两相流动特征，本文不考虑颗粒之间的碰撞以及颗粒对气相流动的影响，仍采用单相气流流动的控制方程。用Fluent—CFD软件进行数值计算，求解雷诺时均Navier—Stokes方程，压力和速度方程耦合采用SIMPLE