周子杰,王新軍,費(fèi)昕陽(yáng)

(西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,710049,西安)

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燃機(jī)透平靜葉尾緣柱肋通道內(nèi)的汽霧/空氣冷卻流動(dòng)與換熱特性數(shù)值研究

周子杰,王新軍,費(fèi)昕陽(yáng)

(西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,710049,西安)

基于通過(guò)提高燃?xì)膺M(jìn)口溫度來(lái)提升燃?xì)廨啓C(jī)熱效率和增加出力的思想,采用ANSYS-CFX商用軟件對(duì)模化的燃?xì)廨啓C(jī)透平靜葉尾緣楔形柱肋冷卻通道中流動(dòng)與換熱特性進(jìn)行了數(shù)值模擬,對(duì)比研究了冷卻工質(zhì)為空氣和汽霧/空氣時(shí)的冷卻性能,以及不同的雷諾數(shù)和霧滴初始直徑下霧滴在流動(dòng)過(guò)程中的分布、努塞爾數(shù)、摩擦系數(shù)以及熱力綜合效率的變化情況。研究表明:霧滴初始直徑越大、雷諾數(shù)越大,霧滴的流動(dòng)距離越長(zhǎng);相同雷諾數(shù)條件下,相對(duì)于空氣冷卻,加入不同初始直徑的霧滴可提高通道底面平均努塞爾數(shù),換熱效果強(qiáng)化越明顯;底面平均努塞爾數(shù)的增幅與雷諾數(shù)和霧滴初始直徑有關(guān),為了達(dá)到最佳冷卻效果,應(yīng)考慮霧滴蒸發(fā)吸熱和擾流兩方面的影響;在冷卻空氣中加入霧滴后流動(dòng)摩擦系數(shù)變化較小,綜合考慮換熱性能與流動(dòng)阻力,加入汽霧可使熱力綜合效率最高提高26%。該結(jié)果可為燃機(jī)設(shè)計(jì)提供參考。

燃?xì)廨啓C(jī);汽霧/空氣冷卻;冷卻性能;數(shù)值模擬

提高燃?xì)膺M(jìn)口溫度是提升燃?xì)廨啓C(jī)熱效率和增加出力的重要手段?，F(xiàn)階段先進(jìn)工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的燃?xì)膺M(jìn)口溫度已超過(guò)燃?xì)廨啓C(jī)透平葉片金屬材料所能承受的耐熱極限。除開(kāi)發(fā)新材料、改進(jìn)合金性能以提高葉片耐熱極限外,通過(guò)不同手段提高葉片冷卻效率是進(jìn)一步提高燃?xì)膺M(jìn)口溫度的重要方式[1]。如果不使用氣膜冷卻,冷卻工質(zhì)側(cè)的傳熱系數(shù)必須達(dá)到8～10 kW/(m2·K)[2],為了做到這一點(diǎn),必須使蒸汽冷卻工質(zhì)流動(dòng)達(dá)到很高的雷諾數(shù)。Hwang等實(shí)驗(yàn)研究了帶圓柱形擾流柱肋的楔形通道內(nèi)底面換熱和壓力損失特性,通過(guò)在底面安裝熱敏液晶,用瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)的方法獲得了底面局部努塞爾數(shù)的分布[3]。Metzger等研究了高寬高比的矩形換熱通道中叉排均勻排布的圓柱形擾流柱對(duì)換熱通道內(nèi)流動(dòng)與換熱特性的影響,通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量了通道內(nèi)局部努塞爾數(shù)與擾流柱排數(shù)之間的關(guān)系[4]。Ragab等數(shù)值研究了在空氣冷卻的燃?xì)廨啓C(jī)透平葉片內(nèi)部噴入霧滴的可行性[5]。Zhao等實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)吹風(fēng)比為0.6且在冷卻空氣中添加質(zhì)量濃度為7%、平均直徑為5 μm的霧滴時(shí),平均冷卻效率可提高128%[6-7]。Liao等數(shù)值模擬得出,蒸汽-汽霧的冷卻效率比空氣高約57.1%[8]。Tao等實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為,在蒸汽中加入質(zhì)量濃度為5%的霧滴,平均傳熱系數(shù)可增加約100%,局部傳熱系數(shù)最高增加可達(dá)200%[9]。史曉軍等實(shí)驗(yàn)研究表明,向主流蒸汽中噴入少量細(xì)小霧滴形成汽霧兩相流冷卻介質(zhì),其平均努塞爾數(shù)最高可達(dá)純蒸汽的3.46倍,當(dāng)冷卻工況因子小于23時(shí),汽霧冷卻通道中部區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)明顯的大霧滴沉降和蒸發(fā),冷卻效果顯著提高[10]。張峰等研究表明,當(dāng)通道雷諾數(shù)為40 000時(shí),汽霧/空氣的熱力性能因子比空氣高23.47%[11]。

前人對(duì)在柱肋通道中采用汽霧/空氣冷卻工質(zhì)的研究相對(duì)較少,本文采用ANSYS-CFX商用軟件,對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)透平靜葉尾緣柱肋通道內(nèi)的空氣、汽霧/空氣冷卻進(jìn)行了數(shù)值研究,對(duì)比了多種工況下空氣冷卻和汽霧/空氣冷卻的流動(dòng)與換熱特性。

1 計(jì)算模型和數(shù)值方法

1.1 計(jì)算模型

燃?xì)廨啓C(jī)透平靜葉尾緣的冷卻通道可簡(jiǎn)化為楔形柱肋冷卻通道,該通道模型如圖1所示。計(jì)算時(shí)取文獻(xiàn)[3]中的直列楔形圓柱肋冷卻通道的中間一排柱肋并設(shè)置對(duì)稱邊界條件。在實(shí)驗(yàn)段中設(shè)置垂直于通道底面的5排圓柱形肋,在實(shí)驗(yàn)段前、后分別設(shè)置矩形的入口段和出口段。柱肋直徑d=12 mm,模型的其他數(shù)據(jù)如表1所示。

圖1 楔形柱肋冷卻通道模型

參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值L1·d-11333Sx·d-125L2·d-15Sy·d-125H1·d-136W·d-11333H2·d-11L·d-11333

1.2 數(shù)值方法及驗(yàn)證

1.2.1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證 使用ICEM-CFD軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)型網(wǎng)格劃分,在柱肋附近采用O型網(wǎng)格,對(duì)柱肋、通道表面附近的邊界層流場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密,如圖2所示,網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)量為28萬(wàn)～92萬(wàn)。

圖2 計(jì)算網(wǎng)格劃分示意

y+為描述第一層網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)至壁面的單位為1的距離

(1)

N:柱肋排數(shù)圖3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

圖4 底面隨Red的變化

1.2.3 汽霧/空氣模型驗(yàn)證 由于現(xiàn)階段沒(méi)有柱肋通道中汽霧/空氣冷卻實(shí)驗(yàn)的相關(guān)資料,本文采用了與汽霧/空氣冷卻工質(zhì)相同、原理類似的平板氣膜冷卻實(shí)驗(yàn)(工質(zhì)為空氣和汽霧/空氣)[6-7]進(jìn)行數(shù)值方法驗(yàn)證。汽霧/空氣混合物中,汽霧(霧滴)的體積分?jǐn)?shù)很小,可作為離散相處理,且采用拉格朗日方法來(lái)計(jì)算水滴軌跡。運(yùn)動(dòng)方程如下

dup/dt=FD(u-up)+gx(ρp-ρ)/ρp+Fx

(2)

式中:gx(ρp-ρ)/ρp和FD(u-up)分別是單位質(zhì)量霧滴受到的重力和阻力;Fx是包括壓力梯度力和熱泳力在內(nèi)的其他力。

不考慮輻射換熱,霧滴的傳熱方程為

mpCpdTp/dt=hAp(T∞-Tp)+hfgdmp/dt

(3)

式中:mp、Cp和Tp分別是霧滴的質(zhì)量、比熱容和溫度;h是霧滴表面的對(duì)流換熱系數(shù);Ap是霧滴的表面積;T∞是連續(xù)相的溫度;dmp/dt是霧滴的蒸發(fā)速率;hfg是霧滴的蒸發(fā)潛熱。

霧滴的蒸發(fā)速率與霧滴表面和連續(xù)相的蒸汽濃度梯度有關(guān),傳質(zhì)方程為

-dmp/dt=Apkc(cs-c∞)

(4)

式中:kc是傳質(zhì)系數(shù);cs是霧滴表面蒸汽濃度;c∞是連續(xù)相中的蒸汽濃度。

當(dāng)霧滴溫度達(dá)到沸點(diǎn)時(shí),采用沸騰速率來(lái)計(jì)算霧滴的蒸發(fā)速率,表達(dá)式為

ln[1+Cp,∞(T∞-Tp)/hfg])

(5)

式中:k∞、Cp,∞分別是主流氣體的導(dǎo)熱率和比熱容;dp是霧滴直徑;Rep是霧滴的雷諾數(shù)。

平板沿主流方向幾何中心位置的冷卻效率[6]

ηcool=(Tg-Taw)/(Tg-Tj)

(6)

式中:Tg為主流氣體溫度,在該實(shí)驗(yàn)中主流氣體為空氣;Tj為射流孔處的冷卻空氣溫度;Taw為絕熱壁面溫度。

圖5為平板幾何中心位置的冷卻效率ηcool變化曲線。可見(jiàn),使用離散相模型數(shù)值計(jì)算得到的冷卻效率在整體趨勢(shì)上與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較為接近,認(rèn)為離散相模型可以用于汽霧/空氣冷卻的預(yù)測(cè)計(jì)算。

圖5 平板幾何中心位置的冷卻效率變化

1.2.4 參數(shù)定義 換熱系數(shù)、努塞爾數(shù)及雷諾數(shù)的表達(dá)式分別為

從DIVA-GIS數(shù)據(jù)庫(kù)(http://www.diva-gis.org/)免費(fèi)獲取DIVA-GIS(Version 7.5)軟件包和中國(guó)地形高程圖。中國(guó)行政區(qū)劃矢量地圖來(lái)源于國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心(http://nfgis.nsdi.gov.cn/)，地圖比例尺為1∶4000000。在DIVA-GIS軟件中，以中國(guó)行政區(qū)劃矢量圖和高程圖為底圖，導(dǎo)入紫玉蘭地理分布數(shù)據(jù)，繪制實(shí)際地理分布圖。利用與DIVA-GIS耦合的BIOCLIM模型，分別預(yù)測(cè)紫玉蘭的當(dāng)前適生區(qū)和未來(lái)潛在分布區(qū)。

h=q/(Tw-Tadj)

(7)

Nu=hD/λ

(8)

Re=ρVmaxD/λ

(9)

式中:q為熱流量;Tw為壁面溫度;Tadj為壁面附近的流體溫度;D為通道水力直徑。壓力損失采用摩擦系數(shù)f來(lái)衡量,定義為

(10)

式中:Vmax為通道中通流面積最小處的流動(dòng)速度;Δp為壓力降;N為柱肋排數(shù)。

為便于綜合比較換熱效果及壓力損失,引入了3個(gè)變量,即光滑通道中流動(dòng)與換熱充分發(fā)展階段的努塞爾數(shù)Nu∞、壓力損失系數(shù)f∞及熱力綜合效率η[12],表達(dá)式為

Nu∞=0.023Re0.8Pr0.4

(11)

f∞=0.079Re-0.25

(12)

(13)

式中:Pr為空氣的普朗特?cái)?shù)。

Wachters等的研究證明,當(dāng)液滴撞擊在干燥光滑金屬表面時(shí),液滴的行為與韋伯?dāng)?shù)有關(guān):當(dāng)韋伯?dāng)?shù)We>80時(shí),液滴分散且表面形成液膜;當(dāng)30

表2 各工況下邊界條件

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 雷諾數(shù)對(duì)霧滴直徑的影響

(a)Re=20 000

(b)Re=30 000

(c)Re=40 000

(d)Re=50 000圖6 d0=10 μm時(shí)霧滴平均直徑隨Re的變化

2.2 霧滴初始直徑對(duì)流動(dòng)與換熱的影響

汽霧對(duì)換熱的強(qiáng)化作用主要來(lái)自于下面3個(gè)因素:①霧滴具有較大的比熱容和蒸發(fā)潛熱,霧滴的蒸發(fā)吸熱能夠降低主流溫度,增加換熱量;②霧滴在流動(dòng)過(guò)程中增加了主流氣體的紊流度;③霧滴蒸發(fā)膨脹增加了主流氣體的流速,使得流動(dòng)的對(duì)流換熱系數(shù)增大。

在本文研究中,汽霧質(zhì)量只占空氣的2%,即使汽霧完全蒸發(fā),流動(dòng)的體積膨脹僅為3.3%,一般的工程經(jīng)驗(yàn)表明,當(dāng)流動(dòng)速度增加3%左右時(shí)換熱不會(huì)發(fā)生顯著變化。所以,本文只研究前2個(gè)因素對(duì)換熱的影響。

圖7為Re=20 000、d0=5～30 μm時(shí)霧滴直徑的變化。可見(jiàn),在相同的Re條件下,d0越大,霧滴在通道中的流動(dòng)距離越長(zhǎng)。當(dāng)d0=5 μm時(shí),大多數(shù)霧滴還未流經(jīng)換熱段即已消弭。當(dāng)d0增大至10 μm時(shí),大部分霧滴已經(jīng)可以流經(jīng)整個(gè)通道。當(dāng)d0增加到20 μm時(shí),通道出口處的霧滴在流經(jīng)整個(gè)通道后還殘留有10 μm左右的平均直徑。這是因?yàn)?霧滴的d0、質(zhì)量越大,單個(gè)霧滴蒸發(fā)完畢所需要的熱量越大;d0增大,比表面積減小,單位質(zhì)量霧滴的受熱面積減小,霧滴與空氣之間的熱量傳遞減慢。這兩方面的原因?qū)е麓笾睆降撵F滴需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能蒸發(fā)完畢,從而能在較長(zhǎng)距離通道中存在。

(a)d0=5 μm

(b)d0=10 μm

(c)d0=15 μm

(d)d0=20 μm

(e)d0=25 μm

(f)d0=30 μm圖7 Re=20 000、不同d0時(shí)霧滴平均直徑隨流動(dòng)的變化

圖8為不同Re和d0時(shí)通道出口處的汽霧質(zhì)量濃度w的變化。可見(jiàn),當(dāng)霧滴初始直徑(d0=5～10 μm)較小時(shí),不同Re下霧滴在通道中幾乎全部蒸發(fā)。當(dāng)d0較大時(shí),不同Re下汽霧在出口處仍殘余較大的w,如d0=30 μm時(shí),通道出口處w高達(dá)0.85%～1.34%,即有一半質(zhì)量的霧滴尚未蒸發(fā)。當(dāng)霧滴d0不變時(shí),出口處的w隨Re的增大而增大,這與2.1節(jié)所述結(jié)論相一致。

圖8 通道出口處汽霧質(zhì)量濃度w隨Re的變化

圖9為Re=20 000、工質(zhì)為空氣和不同d0的汽霧/空氣時(shí)通道底面局部Nu分布。在冷卻工質(zhì)為純空氣(圖9a)時(shí),受柱肋的擾流作用,柱肋的前緣有明顯的高Nu區(qū)域。在第4～第5排柱肋附近,受楔形通道收縮效應(yīng)的影響,通流面積減小,流動(dòng)存在明顯的加速過(guò)程,紊流度增大,因而此處的Nu增大。當(dāng)在空氣中噴入不同d0的汽霧(圖9b～9d)時(shí),通道局部Nu較純空氣冷卻時(shí)有所增大。噴入汽霧時(shí),相對(duì)于純空氣,高Nu區(qū)域分布沒(méi)有明顯的變化,說(shuō)明霧滴沒(méi)有從根本上改變通道內(nèi)的流動(dòng)狀況。加入不同d0的霧滴時(shí),相應(yīng)的高Nu區(qū)域的面積和Nu峰值均有小幅增加,說(shuō)明汽霧對(duì)局部的對(duì)流換熱起到了強(qiáng)化作用。值得注意的是,當(dāng)霧滴d0增大至30 μm時(shí),底面局部Nu反而較d0=20 μm時(shí)下降。

(a)空氣冷卻

(b)d0=10 μm

(c)d0=20 μm

(d)d0=30 μm圖9 Re=20 000時(shí)底面局部Nu分布

綜合以上分析,應(yīng)考慮兩方面的影響,盡可能在不損失霧滴蒸發(fā)潛熱的同時(shí),使霧滴對(duì)主流的擾流作用最大。當(dāng)Re<35 000時(shí)最佳d0=25 μm,而隨著Re增大,最佳d0有逐漸減小的趨勢(shì),當(dāng)Re=50 000時(shí)最佳d0=10 μm。

圖11 通道底面增幅隨Re的變化

2.3 綜合熱力性能評(píng)價(jià)

圖12為不同冷卻工況時(shí)通道的摩擦系數(shù)f隨Re的變化?？梢?jiàn),在不同Re下噴入霧滴,流動(dòng)的f變化不大。這說(shuō)明水霧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小時(shí),基本的流動(dòng)規(guī)律沒(méi)有改變,一方面水霧汽化使得工質(zhì)體積膨脹,抵償壓力損失,另一方面水霧對(duì)流動(dòng)的擾流使得阻力增大,兩方面的影響相互抵償,造成流動(dòng)整體的f變化不大。

圖13為不同工況時(shí)通道的熱力綜合效率η隨Re的變化?？梢?jiàn),當(dāng)Re增加時(shí),不同工質(zhì)下的熱力綜合效率均有所下降。加入汽霧使得通道的熱力綜合效率提高。隨著Re的增大,不同d0的汽霧所帶來(lái)的熱力綜合效率提升幅度不同。在Re=20 000,30 000,40 000,50 000時(shí),噴入d0分別為25、25、15、10 μm的霧滴可使熱力綜合效率達(dá)到最佳。當(dāng)Re=50 000時(shí),噴入d0=10 μm的汽霧可使熱力綜合效率由0.318提升至0.401,增幅達(dá)26%。

圖12 不同工況時(shí)流動(dòng)摩擦系數(shù)f隨Re的變化

圖13 不同工況時(shí)熱力綜合效率η隨Re的變化

3 結(jié) 論

采用ANSYS-CFX商用軟件,對(duì)模化的燃?xì)廨啓C(jī)透平靜葉尾緣內(nèi)部楔形柱肋冷卻通道內(nèi)的流動(dòng)與換熱進(jìn)行了數(shù)值模擬,工質(zhì)為空氣和汽霧/空氣時(shí)對(duì)比分析了不同雷諾數(shù)、不同霧滴初始直徑時(shí)通道的流動(dòng)與換熱特性,結(jié)論如下。

(1)霧滴的流動(dòng)距離與初始直徑和流動(dòng)雷諾數(shù)有關(guān),初始直徑越大、雷諾數(shù)越大,霧滴在通道內(nèi)的流動(dòng)距離越長(zhǎng)。

(2)當(dāng)霧滴初始直徑(d0=5～15 μm)較小時(shí),加入汽霧對(duì)底面平均努塞爾數(shù)的提升隨雷諾數(shù)呈單調(diào)增加的趨勢(shì);在霧滴初始直徑(d0=25～30 μm)較大時(shí),加入汽霧對(duì)底面平均努塞爾數(shù)的提升隨雷諾數(shù)呈先增大后減小的趨勢(shì)。

(3)霧滴直徑的選擇應(yīng)綜合考慮蒸發(fā)和擾流兩方面的作用:應(yīng)在霧滴能夠全部或大部分蒸發(fā)的基礎(chǔ)上,采用較大的初始直徑,即在減小霧滴蒸發(fā)潛熱損失的同時(shí),盡量使霧滴對(duì)主流氣體的擾流作用最大。

(4)加入汽霧對(duì)流動(dòng)阻力的影響較小,因此加入汽霧帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)性十分可觀,不同雷諾數(shù)、加入不同初始直徑的汽霧均可使熱力綜合效率提高,最高增幅可達(dá)26%。

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(編輯 苗凌)

Numerical Investigation for Flow and Heat Transfer Characteristics of Air and Air/Mist Cooling in Gas Turbine Stator Trail Edge Path

ZHOU Zijie,WANG Xinjun,FEI Xinyang

(School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

Increasing the turbine inlet temperature is a feasible method to improve the cycle thermal efficiency and power output of a gas turbine. The heat transfer and flow characteristics of air and air/mist cooling in the trail edge path of a gas turbine stator are numerically investigated with ANSYS-CFX. The simulations for different working fluids (air and air/mist) are carried out to find their cooling performance difference. The changes of mist distribution, Nusselt number, flow friction factor and thermodynamic efficiency are analyzed in the cases of different Reynolds number and different initial diameter of mist. The results show that the mist flow distance goes up when Reynolds number and mist initial diameter increase. At the same Reynolds number, the bottom averaged Nusselt number increases when spraying mist with different initial diameter into cooling air. The enhancement of the bottom averaged Nusselt number is related to Reynolds number and the initial mist diameter. To reach the highest cooling performance, the evaporating and disturbance effects of mist ought to be taken into consideration. Spraying mist into cooling air slightly affects the friction factor, but the increase of thermodynamic efficiency can reach up to 26% considering both heat transfer and flow friction.

gas turbine; air/mist cooling; cooling performance; numerical simulation

2016-05-13。 作者簡(jiǎn)介:周子杰(1991—),男,碩士生;王新軍(通信作者),男,副教授。

時(shí)間:2016-09-08

10.7652/xjtuxb201611004

TK47

A

0253-987X(2016)11-0021-07

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20160908.1104.014.html