趙曙,朱惠人,郭濤,張麗,周志翔

(1.西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院,710072,西安; 2.中國(guó)航空動(dòng)力機(jī)械研究所,412002,湖南株洲)

出流比及旋轉(zhuǎn)數(shù)對(duì)回轉(zhuǎn)通道流動(dòng)換熱的影響

趙曙1,朱惠人1,郭濤1,張麗1,周志翔2

(1.西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院,710072,西安; 2.中國(guó)航空動(dòng)力機(jī)械研究所,412002,湖南株洲)

為深入了解渦輪動(dòng)葉內(nèi)通道在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的換熱分布以及出口流量變化對(duì)通道壁面換熱的影響,采用數(shù)值模擬方法研究了旋轉(zhuǎn)帶肋回轉(zhuǎn)通道的流動(dòng)特性,揭示了旋轉(zhuǎn)數(shù)、出口流量分配比例對(duì)內(nèi)通道換熱的影響機(jī)理。計(jì)算模型包含3個(gè)通道和2個(gè)轉(zhuǎn)彎段,通道進(jìn)口雷諾數(shù)為17000,旋轉(zhuǎn)數(shù)為0～0.09,3種工況下出口1、2、3與入口的質(zhì)量流量比分別為27%、49%、24%(三個(gè)出口均有出流),27%、0%、73%(出口2不出流),27%、73%、0%(出口3不出流)。結(jié)果表明:靜止內(nèi)通道的出流比變化僅對(duì)第3通道的沿程壓力系數(shù)Cp和前、后緣面努賽爾數(shù)Nu分布有影響;旋轉(zhuǎn)內(nèi)通道的出流比變化會(huì)影響Cp的大小,旋轉(zhuǎn)哥氏力使通道前、后緣面的Nu分布不同;離心力使徑向出流通道的Cp隨旋轉(zhuǎn)數(shù)的增加而緩慢增大,徑向入流通道的Cp隨旋轉(zhuǎn)數(shù)增大而迅速減小;肋擾流渦使沿程展向平均Nu沿流向呈多波峰狀分布;轉(zhuǎn)彎回流渦使得轉(zhuǎn)彎下游通道的Nu不對(duì)稱(chēng)分布。

帶肋通道;出流比;旋轉(zhuǎn)數(shù);對(duì)流傳熱;數(shù)值計(jì)算

現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁囟纫堰h(yuǎn)高于渦輪葉片的耐熱溫度,必須采取有效的內(nèi)、外部冷卻技術(shù)使渦輪葉片安全穩(wěn)定的工作。帶肋和出流孔是渦輪葉片中常用的冷卻結(jié)構(gòu),冷卻空氣沿葉片內(nèi)通道流動(dòng)時(shí),肋的擾流使流體發(fā)生邊界層脫離而形成強(qiáng)度不同的漩渦,強(qiáng)化了空氣與壁面的換熱,冷卻空氣由出口流出帶走多余熱量或在葉片表面形成氣膜覆蓋,保護(hù)葉片不被外部高溫燃?xì)馄茐?這種組合冷卻形式提高了冷卻空氣的利用率。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)帶肋及出流內(nèi)通道冷卻技術(shù)開(kāi)展了廣泛研究[1-11]。在帶出流內(nèi)通道冷卻技術(shù)研究中,一方面集中于側(cè)向出流的尾緣通道的冷卻機(jī)理研究,主要研究不同阻塞比、肋排布、肋角度及通道截面寬高比等幾何參數(shù)[1-4]對(duì)尾緣通道的流動(dòng)損失及壁面換熱的影響,還研究了雷諾數(shù)、旋轉(zhuǎn)數(shù)、旋轉(zhuǎn)偏角等氣動(dòng)參數(shù)[5-8]對(duì)側(cè)向出流尾緣通道壁面換熱系數(shù)的影響;另一方面集中于內(nèi)通道前后緣面有氣膜孔出流的冷卻機(jī)理研究,主要針對(duì)氣膜孔、肋角度、肋與氣膜孔相對(duì)位置等幾何參數(shù)及雷諾數(shù)、出流比等氣動(dòng)參數(shù)[9-11]對(duì)帶肋和氣膜出流的內(nèi)通道冷卻的影響。

以上研究者多以側(cè)向出流的楔形尾緣單通道進(jìn)行研究,流動(dòng)進(jìn)口一般為矩形充分發(fā)展進(jìn)口條件,并沒(méi)有考慮到實(shí)際葉片回轉(zhuǎn)通道結(jié)構(gòu)多段通道的連接關(guān)系,尾緣通道進(jìn)口條件與實(shí)際情況不同,沒(méi)能反映出真實(shí)尾緣通道流動(dòng)特征。本文選取了動(dòng)葉完整內(nèi)通道模型研究,保證了各段通道的截面形狀和相互連接關(guān)系,為各段通道提供了與真實(shí)情況相同的進(jìn)口條件,通過(guò)數(shù)值模擬研究了不同出流比及旋轉(zhuǎn)數(shù)對(duì)內(nèi)通道流場(chǎng)分布及壁面Nu的影響,為轉(zhuǎn)子葉片回轉(zhuǎn)通道設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)參考。

1 數(shù)值計(jì)算模型

1.1 物理模型

典型渦輪動(dòng)葉截面形狀如圖1所示[5],葉片前緣有氣膜覆蓋冷卻,中弦內(nèi)部有通道肋擾流強(qiáng)化冷卻,尾緣有射流吸熱冷卻。葉片外部的燃?xì)鈱崃總鹘o葉片時(shí),由葉片表面的氣膜覆蓋隔熱和內(nèi)部冷氣吸熱實(shí)現(xiàn)了降低葉片的工作溫度。轉(zhuǎn)子葉片繞軸由壓力面向吸力面方向旋轉(zhuǎn)時(shí),壓力面?zhèn)鹊膬?nèi)通道壁面稱(chēng)為后緣面,吸力面?zhèn)鹊膬?nèi)通道壁面稱(chēng)為前緣面。

圖1 典型葉片內(nèi)通道截面

本文采用的渦輪動(dòng)葉內(nèi)通道模型如圖2所示,包含了2個(gè)梯形截面的徑向出流通道和1個(gè)矩形截面的徑向入流通道,且每個(gè)通道壁面上有交錯(cuò)橫肋,2個(gè)轉(zhuǎn)彎段將3個(gè)通道連接構(gòu)成回轉(zhuǎn)通道;入口位于第1通道底部、出口1、2位于回轉(zhuǎn)通道頂部,出口3位于第3通道側(cè)壁,入口水力直徑d=11.2 mm,肋寬e=0.107d,肋間距與肋寬比p/e=12.58,文中x、y、z軸分別表示通道的寬度、厚度、高度方向;通道模型繞x軸旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)半徑為R,旋轉(zhuǎn)半徑與水力直徑比R/d=46.4。

圖2 數(shù)值模擬幾何模型

1.2 計(jì)算網(wǎng)格及邊界條件

本文采用ICEM 13.0生成的計(jì)算網(wǎng)格局部示意如圖3所示。考慮到模型的截面形狀、肋高尺寸、通道與出口交接面積的變化,對(duì)流體域劃分使用了非結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)格生成方法;由于旋轉(zhuǎn)可能會(huì)影響到壁面附近的流場(chǎng)變化,因此加密劃分壁面附近的網(wǎng)格;肋周?chē)牧鲃?dòng)情況比較復(fù)雜,因此采用密度核加劃分肋附近區(qū)域的網(wǎng)格;考慮了壁面換熱及壁面處理函數(shù),在內(nèi)通道的壁面上添加有10層邊界層,并保證壁面函數(shù)使用條件(Y+<1);經(jīng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析后,選取計(jì)算網(wǎng)格總數(shù)約為9.45×106。

圖3 計(jì)算模型局部網(wǎng)格

借助Fluent 13.0進(jìn)行三維穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬研究,流體為理想氣體,選取realizablek-ε湍流模型及增強(qiáng)壁面函數(shù)。計(jì)算邊界條件分別為質(zhì)量流量進(jìn)口條件,3個(gè)出口設(shè)定不同壓力條件來(lái)調(diào)整流量分配比例,給定無(wú)滑移壁面條件并確定相應(yīng)的湍流脈動(dòng)能和耗散率,壁面熱流密度為2 kW/m2。對(duì)雷諾時(shí)均湍流微分控制方程的求解采用壓力分離隱式穩(wěn)態(tài)求解器,并采用SIMPLE壓力速度耦合方法求解各參數(shù)。壓力修正方程、連續(xù)方程、動(dòng)量方程、k和ε方程均采用亞松弛因子,求解收斂的判斷標(biāo)準(zhǔn)為相對(duì)殘差小于10-5。

1.3 參數(shù)定義及計(jì)算工況

研究工況為實(shí)際葉片工作的氣動(dòng)條件,Re為17000,旋轉(zhuǎn)數(shù)、出流比包含了實(shí)際葉片工作的旋轉(zhuǎn)和流量分配條件:ro分別為0、0.03、0.06、0.09,3種工況下出口1、2、3與入口的質(zhì)量流量比Dr分別為27%、49%、24%(3個(gè)出口均有出流);27%、0%、73%(出口2不出流);27%、73%、0%(出口3不出流)。

2 流動(dòng)結(jié)果與分析

2.1 靜止回轉(zhuǎn)通道速度場(chǎng)

帶肋內(nèi)通道的流場(chǎng)分布如圖4所示。在Re為17000,3個(gè)出口均有出流的回轉(zhuǎn)通道內(nèi)流體沿流向受通道截面變化、肋擾流、轉(zhuǎn)彎及出口分流的影響,會(huì)在各段通道內(nèi)形成不同的速度場(chǎng)分布。徑向出流第1通道的高速區(qū)域沿流向逐漸向靠近轉(zhuǎn)彎隔墻側(cè)偏移,這是由于左側(cè)梯形窄邊肋的擾動(dòng)流阻較大,右側(cè)梯形寬邊和轉(zhuǎn)彎段導(dǎo)向作用會(huì)使主流沿徑向逐漸往轉(zhuǎn)彎側(cè)偏移;徑向入流第2通道和徑向出流第3通道均受轉(zhuǎn)彎效應(yīng)影響,使下游通道遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)彎段流速增大,并在下游通道靠近轉(zhuǎn)彎段側(cè)形成低速回流渦,且第3通道內(nèi)低速渦區(qū)域較大,轉(zhuǎn)彎分離作用沿流向逐漸減弱;同時(shí),在第1、2轉(zhuǎn)彎段的上游頂部會(huì)形成低速回流渦,下游分離形成抬升沖擊和回流渦。

圖4 內(nèi)通道厚度中截面流線圖

2.2 旋轉(zhuǎn)數(shù)對(duì)壓力系數(shù)結(jié)果的影響

圖5為回轉(zhuǎn)通道的沿程壓力系數(shù)Cp分布,圖中l(wèi)/d表示沿流向距入口的距離與入口水力直徑之比。在Re為17000、3個(gè)出口均有出流的靜止通道,Cp主要受通道形狀、肋分布、出口分流的影響,使Cp沿流向逐漸降低。第1通道的Cp沿流向迅速降低,受肋的周期擾流作用最強(qiáng),流動(dòng)損失最大;第2通道的Cp沿流向略有降低,肋的周期擾流作用減弱,流動(dòng)損失相對(duì)較小;第3通道的Cp沿流向略有回升,沿程分流作用使流動(dòng)損失逐漸減小;第1、2轉(zhuǎn)彎段Cp沿流向先降低后回升。相同工況的旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)通道Cp還受到旋轉(zhuǎn)離心力、哥氏力的影響,使第1通道的Cp隨ro的增加沿程降低幅度逐漸減小,第2通道Cp隨ro的增加沿程降低幅度迅速增大,第3通道Cp隨ro的增加沿程增加幅度逐漸增大,第1轉(zhuǎn)彎段Cp隨ro的增加而增大,第2轉(zhuǎn)彎段Cp隨ro的增加而減小。

圖5 沿程壓力系數(shù)分布

通道內(nèi)的主流受肋擾流發(fā)生分離,在肋上游區(qū)域形成沖向壁面的二次流渦使壁面附近流速增大,而在肋下游再附著形成的低速回流渦使肋后壁面附近流速沿流向逐漸增加,從而形成兩肋間的Cp逐漸上升的趨勢(shì),沿流向的Cp呈多波峰狀分布;出口1的分流作用使第1轉(zhuǎn)彎段流動(dòng)損失減小,Cp逐漸增加,第2轉(zhuǎn)彎段流動(dòng)損失相對(duì)較小,沿程Cp略有增加;出口3沿流向的分流作用使第3通道Cp緩慢增大。

2.3 出流比對(duì)壓力系數(shù)的影響

由圖6可知,在Re為17000、ro為0和0.09時(shí),3種出流比Dr下靜止通道的Cp較小,出口2、3的流量變化使第3通道Cp沿流向差異逐漸增大。3個(gè)出口均出流時(shí)沿程阻力最小,出口2不出流時(shí)沿程阻力最大,流體沿側(cè)向出口3的19個(gè)小孔排出時(shí),沿程分流損失和突縮回流渦使流向壓力逐漸增大。3種Dr下旋轉(zhuǎn)通道的Cp較大,旋轉(zhuǎn)作用影響徑向通道的流場(chǎng)變化,3個(gè)出口均出流時(shí)Cp最小,沿程的流動(dòng)損失最大,出口2不出流時(shí)Cp最大,沿程的流動(dòng)損失最小,出流比變化對(duì)通道流動(dòng)損失的影響比靜止時(shí)更為明顯。

圖6 沿程壓力系數(shù)分布

3 換熱結(jié)果與分析

3.1 出流比對(duì)換熱系數(shù)的影響

如圖7所示,在Re為17000、ro為0.00時(shí),不同Dr下回轉(zhuǎn)通道后緣面的第1、2通道及轉(zhuǎn)彎段Nu分布相同,而第3通道的Nu分布明顯不同,這是由于出流比變化僅影響第3通道內(nèi)速度場(chǎng)的分布,從而改變了壁面Nu分布。截面形狀和轉(zhuǎn)彎段的導(dǎo)向作用使第1通道的Nu分布不對(duì)稱(chēng),沿流向Nu較高的區(qū)域逐漸靠近轉(zhuǎn)彎段。轉(zhuǎn)彎分離作用使第2、3通道的Nu分布不對(duì)稱(chēng),遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)彎下游Nu較高,靠近轉(zhuǎn)彎下游Nu較低,沿主流方向Nu分布逐漸均勻。轉(zhuǎn)彎效應(yīng)在轉(zhuǎn)彎段的上游頂部形成低速回流渦,同時(shí)在轉(zhuǎn)彎下游形成射流沖擊,導(dǎo)致轉(zhuǎn)彎頂部出現(xiàn)了低Nu區(qū)域和轉(zhuǎn)彎下游側(cè)壁的高Nu區(qū)域。出口1的分流作用使出口附近壁面流速增加,增大了壁面的Nu。第3通道壁面Nu主要受出口2、3流量分配比的影響,當(dāng)出口2、3均出流時(shí)Nu不均性沿流向逐漸減弱,回流渦引起的低Nu區(qū)域相對(duì)較小,沿流向換熱趨于均勻;出口2不出流時(shí)Nu較高區(qū)域明顯向通道右側(cè)偏移,使左側(cè)低速回流渦引起的低Nu區(qū)域沿流向逐漸增大,沿流向Nu不均勻性增加;出口3不出流時(shí)Nu較高區(qū)域明顯向內(nèi)側(cè)偏移,使轉(zhuǎn)彎回流渦引起的Nu較低區(qū)域減小,并在通道右側(cè)頂部出現(xiàn)低Nu區(qū)域,沿流向肋的擾流也強(qiáng)化了壁面換熱,沿流向Nu不均性降低。

(a)3個(gè)出口均有出流 (b)出口2不出流 (c)出口3不出流

3.2 旋轉(zhuǎn)數(shù)對(duì)換熱系數(shù)的影響

圖8是在Re為17000,Dr為27%、49%、24%,ro為0.09時(shí),回轉(zhuǎn)通道前后壁面的Nu分布。旋轉(zhuǎn)使第1、3通道后緣面的Nu明顯增大,使第2通道后緣面Nu減小,增大幅度比減小幅度明顯;前緣面的Nu變化與后緣面的相反;旋轉(zhuǎn)對(duì)第1、2轉(zhuǎn)彎段前后緣面Nu影響較小,這是由于旋轉(zhuǎn)哥氏力將截面中心流體推向哥氏力指向的壁面,從而提高了指向壁面的Nu。

(a)后緣面 (b)前緣面

如圖9所示,肋的周期擾流作用使Nu沿流向呈多波峰狀分布,沿流向兩肋間的高換熱逐漸靠近肋的背風(fēng)面,在肋間沿流向Nu逐漸降低,這是主流分離再附著產(chǎn)生的渦對(duì)壁面Nu的影響所致。圖9a中第1、3通道后緣面Nu沿流向隨ro增加而增大,第3通道的增幅明顯;圖9b中第2通道前緣面Nu隨ro增加而增大。由于流向截面的二次流渦偏移方向與流動(dòng)方向有關(guān),故對(duì)徑向出流通道后緣面增強(qiáng)的幅度比前緣面減弱的幅度大,而對(duì)徑向入流通道前緣面增強(qiáng)的幅度比后緣面減弱的幅度大。

(a)后緣面

(b)前緣面

4 結(jié) 論

本文研究了出流比和旋轉(zhuǎn)數(shù)對(duì)葉片回轉(zhuǎn)通道模型流動(dòng)換熱的影響規(guī)律,在Re為17000、3種Dr和4個(gè)ro工況下,采用三維數(shù)值模擬方法研究了帶肋完整通道的流動(dòng)換熱規(guī)律,得出以下結(jié)論。

(1)回轉(zhuǎn)通道的多段連接關(guān)系對(duì)流場(chǎng)、換熱的影響非常明顯,單通道研究中是不能發(fā)現(xiàn)的。

(2)出口流量分配比僅影響靜止第3通道壓力系數(shù),沿程差異略有增加;出口流量分配比影響旋轉(zhuǎn)通道壓力系數(shù),出口2不出流時(shí)沿程損失最小,3個(gè)出口均出流時(shí)沿程損失最大。

(3)靜止情況第1通道壓力系數(shù)降低最快,流動(dòng)損失最大,且流動(dòng)損失沿流向逐漸減小;旋轉(zhuǎn)情況第1、3通道沿程壓力系數(shù)逐漸增加,第2通道沿程壓力系數(shù)迅速降低。

(4)出口流量變化對(duì)第3通道努賽爾數(shù)分布影響較大,出口2不出流使第3通道側(cè)向形成極高換熱區(qū),不利于前、后緣面努賽爾數(shù)的均勻分布;旋轉(zhuǎn)作用使第3通道前、后緣面的努賽爾數(shù)分布差別較大。

(5)徑向出流后緣面努賽爾數(shù)隨旋轉(zhuǎn)數(shù)增加而增大,徑向入流后緣面努賽爾數(shù)隨旋轉(zhuǎn)數(shù)增加而減小,后緣面沿流向努賽爾數(shù)的增加幅度變大,而前緣面情況反之;沿程展向平均努賽爾數(shù)呈多波峰狀分布,沿流向展向努賽爾數(shù)逐漸減小。

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(編輯 武紅江 荊樹(shù)蓉)

EffectsofFlowDistributionRatioandRotationNumberonFlowandHeatTransferofRotatingInternalCoolingChannels

ZHAO Shu1,ZHU Huiren1,GUO Tao1,ZHANG Li1,ZHOU Zhixiang2

(1.School of Power and Energy,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072,China;2.China Aviation Power Machinery Research Institute,Zhuzhou,Hunan 412002,China)

Numerical simulation is employed to study a rotation cooling channel model with 90°ribs.The purpose of the study is to reveal the influence mechanism of the rotation number and discharge ratio on internal cooling channel heat transfer characteristics and to understand the heat transfer distribution of internal channel in rotor blades.The model contains 3 passages and 2 turn areas.The inlet Reynolds number and rotating number in passages are 17000and 0to 0.09.The outlet mass flow rate discharge ratios in three passages are 27%49%24%,27%0%73%,and 27%73%0%,respectively.The results show that only the pressure coefficient andNudistribution in the third channel are affected by the discharge ratio in the static channel,and the pressure coefficient andNudistribution are obviously changed in the rotation channel,and that the pressure coefficient increases along radial outflow and decreases along radial inflow due to centrifugal force.The lateral average ofNudistributes in a multiple-peak form as the result of secondary flow induced by rib turbulators.The distribution ofNuin the downstream channel of turning area gets asymmetric due to turning eddy.

ribbed channel; discharge ratio; rotation number; convective heat transfer; numerical simulation

2013-12-20。

趙曙(1984—),男,博士生;朱惠人(通信作者),男,教授。

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013CB035702)。

時(shí)間:2014-04-16

10.7652/xjtuxb201406020

V231.1

:A

:0253-987X(2014)06-0117-05

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20140416.1749.011.html