環(huán)形葉柵端壁氣膜冷卻cfd模擬分析

環(huán)形葉柵端壁氣膜冷卻cfd模擬分析

0葉柵端壁氣膜孔模擬由于有復(fù)雜的二次流，如馬蹄直徑和通道直徑，與葉片表面的氣膜相比，高溫氣和端壁之間的換熱非常不均勻，局部地區(qū)的傳熱得到了加強(qiáng)。端壁氣膜冷卻在流動(dòng)形態(tài)以及冷卻效果等方面極其復(fù)雜,因此葉柵端壁冷卻是渦輪氣膜冷卻技術(shù)研究的一個(gè)重要內(nèi)容。端壁二次流動(dòng)十分復(fù)雜,已先后提出了葉柵二次流的多種渦流結(jié)構(gòu)。二次流基本結(jié)構(gòu)是葉片前緣滯止點(diǎn)處形成兩支馬蹄渦,一支沿壓力面前緣附近端壁發(fā)展,橫跨流道后升離端壁面,并發(fā)展成通道渦的核心。另一支沿吸力面附近端壁向流道下游發(fā)展,并升離壁面,形成通道渦系的一部分。在葉柵壁角處,受葉柵橫向壓力梯度的作用,會(huì)形成強(qiáng)度不同的壁角渦。由于壓力面和吸力面兩支馬蹄阻隔與卷吸作用,葉片端壁上游的冷卻氣體在低、中吹風(fēng)比時(shí)不能有效冷卻覆蓋前緣附近靠吸力面一側(cè)端壁以及壓力面附近端壁,導(dǎo)葉端壁氣膜冷卻效率大幅度下降,葉片前緣上游冷卻射流與通道渦相互摻混,氣動(dòng)特性也受到影響。劉高文研究了葉片前緣上游端壁氣膜冷卻射流對(duì)流場(chǎng)和傳熱的影響。結(jié)果表明端壁傳熱系數(shù)隨著吹風(fēng)比的增大顯著增大。受壓力面分支的馬蹄渦阻隔,低、中吹風(fēng)比時(shí)壓力面附近端壁一個(gè)三角形區(qū)域沒(méi)有冷卻覆蓋,高吹風(fēng)比時(shí)會(huì)出現(xiàn)拋射冷卻能有效冷卻覆蓋端壁并對(duì)壓力面根部有冷卻保護(hù)作用。基于相關(guān)研究文獻(xiàn),可見(jiàn)葉柵端壁的氣膜孔布局需要考慮到二次流動(dòng)對(duì)壁面換熱的強(qiáng)化作用,根據(jù)壁面換熱系數(shù)的大小布置氣膜孔數(shù)量、位置和射流比,才有可能取得有效的氣膜效果。本文將葉片端壁氣膜孔模擬為表面點(diǎn)源形式的“噴射模型”,模擬分析氣膜孔布局對(duì)端壁氣膜冷卻覆蓋的影響。根據(jù)流動(dòng)模擬計(jì)算獲得的端部二次流結(jié)構(gòu),調(diào)整端壁氣膜孔布局,使改進(jìn)后冷卻孔布局在吹風(fēng)比或葉柵來(lái)流沖角發(fā)生變化時(shí)端壁獲得完全、高效、均勻的冷卻覆蓋。1氣膜冷卻孔模擬本文的流動(dòng)與傳熱計(jì)算是在CFD軟件FINE/TURBO上完成的。流動(dòng)模型采用定常的RANS求解器,湍流模型采用Spalart-Allmaras一方程模型,氣體物性采用空氣的真實(shí)氣體方程,固壁邊界采用無(wú)滑移、絕熱邊界條件。在計(jì)算中采用Cooling/Bleed噴射模塊模擬圓柱形冷卻孔噴射冷氣,該模塊將氣膜冷卻孔簡(jiǎn)化為在壁面指定位置的單個(gè)網(wǎng)格上設(shè)定一個(gè)入口邊界條件而忽略了冷卻孔流道內(nèi)部流動(dòng)從而形成一個(gè)近似的氣膜冷卻孔。氣膜孔的邊界條件可設(shè)定孔徑、流量、溫度以及進(jìn)口方向等,計(jì)算時(shí)選中的單個(gè)網(wǎng)格按照設(shè)定的邊界條件噴射出冷卻氣體,從而達(dá)到模擬氣膜冷卻孔噴射冷卻氣體的效果。2氣膜冷卻孔結(jié)構(gòu)用文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)Cooling/Bleed模塊進(jìn)行驗(yàn)證,圖1為文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)用圓柱形氣膜冷卻孔,該實(shí)驗(yàn)在平板上布置孔徑為10mm單個(gè)圓柱形孔,孔中心線與平板夾角為30°。主流總溫537K,主流馬赫數(shù)Ma=0.6,基于孔徑的主流來(lái)流Re=6.5104,冷卻氣體總溫290K,氣膜孔射流比M=1.0。圖2為模塊驗(yàn)證時(shí)數(shù)值模擬文獻(xiàn)的氣膜冷卻孔出口截面以及網(wǎng)格示意圖,將圓柱形孔與環(huán)形葉柵端壁相交面近似為橢圓,將端壁孔的中心位置定為橢圓中心,以該中心為基準(zhǔn)劃分出橢圓形網(wǎng)格區(qū)域,并利用Cooling/Bleed模塊將該橢圓形網(wǎng)格區(qū)域所包含的每個(gè)網(wǎng)格按計(jì)算要設(shè)定邊界條件,從而組成一個(gè)圖2所示的冷卻孔。數(shù)值模擬時(shí)用157個(gè)網(wǎng)格覆蓋在孔出口橢圓截面上,并按實(shí)驗(yàn)值在每個(gè)網(wǎng)格上設(shè)定邊界條件進(jìn)行計(jì)算。圖3為孔下游中心線處氣膜冷卻效率,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在冷卻孔出口附近部分冷卻氣體脫離壁面并在下游再附著壁面,數(shù)值模擬未能捕捉到脫離壁面現(xiàn)象因此孔口冷卻效率相對(duì)較高,孔下游中心線處數(shù)值模擬氣膜冷卻效率趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)值基本一致均逐漸下降,但數(shù)值模擬值略低。圖4為孔下游6倍孔徑處橫向氣膜冷卻效率,數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果略有差異,總體趨勢(shì)基本一致。3結(jié)果與討論3.1氣膜冷卻孔的布置葉柵與葉型幾何參數(shù)來(lái)自文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)葉柵,葉柵弦長(zhǎng)C=61mm,軸向弦長(zhǎng)Cax=49.6mm,展弦比H/C=0.82,弦節(jié)比C/t=2.26。原為氣冷渦輪的氣動(dòng)性能驗(yàn)證而設(shè)計(jì)的,并沒(méi)有端壁氣膜冷卻結(jié)構(gòu)。參考文獻(xiàn)孔排布置方式,利用Cooling/Bleed模塊在環(huán)形葉柵下端壁Z/Cax=0.3、0.6、0.9和距前緣Z/Cax=-0.1處布置單排圓柱形氣膜冷卻孔,孔直徑d=1mm,孔間距為3倍孔徑,孔中心線與端壁的夾角為30°,如圖5所示。計(jì)算采用HOH多重網(wǎng)格,近壁面y+<10,網(wǎng)格數(shù)約230萬(wàn),如圖6所示。采用理想氣體,無(wú)滑移絕熱壁面,來(lái)流沖角i分別為10°、0°和-15°。膨脹比1.38,流道進(jìn)口主流平均溫度1400K,冷卻氣體靜溫800K,入口吹風(fēng)比M=1.0,基于弦長(zhǎng)和來(lái)流速度Re=2.8×105。3.2流道上葉柵端壁面的變化圖7為端壁二次流示意圖,端壁橫向壓力梯度使端壁來(lái)流邊界層在葉片前緣滯止點(diǎn)處分成兩支馬蹄渦,一支沿吸力面向下游進(jìn)一步發(fā)展,并在Z/Cax=0.25處附近再次附著葉片表面后升離端壁,稱(chēng)之為吸力面分支馬蹄渦。另一支沿壓力面前緣附近發(fā)展,橫跨流道至吸力面與吸力面分支馬蹄渦匯合后升離端壁面,并最終發(fā)展成通道渦的核心,稱(chēng)之為壓力面分支馬蹄渦。此外,在流道下游靠近吸力面和壓力面的端壁分別有兩支角渦形成。文獻(xiàn)結(jié)果認(rèn)為兩只馬蹄渦會(huì)阻隔冷卻氣體,使吸力面一側(cè)前緣附近端壁以及壓力面一側(cè)端壁會(huì)產(chǎn)生未冷卻區(qū)域,對(duì)端壁上游氣膜冷卻有較大影響。圖8表示葉柵端壁氣膜冷卻的效果。在葉片前緣后大約20%弦長(zhǎng)范圍內(nèi),吸力面和壓力面都出現(xiàn)了無(wú)氣膜冷卻的區(qū)域,原因在于受葉柵前緣馬蹄渦兩個(gè)分支VPs和VSS的阻隔,葉柵前第1排氣膜孔的射流不能進(jìn)入馬蹄渦分離線之后的流動(dòng)區(qū)域。在葉柵橫向壓力梯度的作用下,壓力面一次未冷卻的區(qū)域一方面沿流動(dòng)擴(kuò)大,另一方面其未冷卻的區(qū)域也遠(yuǎn)大于吸力面一側(cè)。很明顯,如果沒(méi)有考慮二次流對(duì)氣膜流動(dòng)的阻礙,在葉片前緣的氣流高溫區(qū),葉片可能出現(xiàn)局部“燒蝕”。3.3葉柵端壁冷卻孔布局改進(jìn)圖9為考慮到葉柵端壁二次流的作用,改進(jìn)端壁氣膜冷卻孔布局,在前緣附近端壁布置布置第一、二、三、四組孔,保證兩支馬蹄渦所包圍的端壁獲得充足的冷卻。針對(duì)端壁中、下游冷卻射流偏轉(zhuǎn)至吸力面,而壓力面附近端壁局部區(qū)域未獲得冷卻這一問(wèn)題,布置第五、六、七、八組孔,保證壓力面附近端壁獲得足夠的冷卻。圖10表示改進(jìn)后葉柵端壁的冷卻效果。對(duì)比圖8,在相同沖角條件下,相比改進(jìn)前的端壁冷卻孔布局,冷卻布局改進(jìn)后,前緣附近端壁以及流道中、下游壓力面附近端壁都得完全、高效、均勻的冷卻覆蓋。整體上看,改進(jìn)后的端壁冷卻孔布局使整個(gè)端壁在不同沖角下均獲得完全冷卻覆蓋,且氣膜冷卻效率有大幅提升,冷卻氣膜的分布更均勻。3.4端壁冷卻孔布局的改進(jìn)圖11表示在設(shè)計(jì)工況下,氣膜吹風(fēng)比為0.5時(shí),兩種端壁氣膜冷卻效果的比較。對(duì)比圖8和圖10,吹風(fēng)比的變化對(duì)端壁改進(jìn)后的冷卻孔布局所形成的冷卻覆蓋區(qū)域有一定影響。吹風(fēng)比M=0.5時(shí)前緣附近端壁局部位置冷卻效率偏低,局部點(diǎn)出現(xiàn)無(wú)冷卻現(xiàn)象,加大吹風(fēng)比M=1.0時(shí),改進(jìn)后的端壁冷卻孔布局所形成的氣膜,總體上能完整冷卻覆蓋整個(gè)端壁。由此也可以說(shuō)明,氣膜孔的布局不僅需要考慮流動(dòng)結(jié)構(gòu),而且需要考慮氣膜射流動(dòng)量,提高氣膜的剛性,形成有效的氣膜覆蓋。3.5氣膜冷卻效果的對(duì)比非設(shè)計(jì)工況是氣冷渦輪設(shè)計(jì)中需要考慮的一個(gè)重要問(wèn)題,主要是對(duì)應(yīng)葉柵進(jìn)口氣流總參數(shù)變化,帶來(lái)的氣流速度、溫度和氣流方向的變化。圖12和圖13分別表示M=1.0時(shí),端壁冷卻孔布局改進(jìn)前、后,不同沖角下端壁氣膜冷卻的效果。圖12表示正攻角+10°時(shí),氣膜冷卻效果的對(duì)比。很顯然,由于正攻角的作用,葉片前緣背弧側(cè)的馬蹄渦區(qū)域有所擴(kuò)大,而背弧側(cè)的馬蹄渦分離區(qū)縮小,兩個(gè)分離區(qū)的均沒(méi)有得到有效冷卻。改進(jìn)氣膜孔布局后,前緣馬蹄渦區(qū)內(nèi)增加了氣膜孔,使得葉片前緣得到了冷氣覆蓋。圖13表示負(fù)攻角-15°時(shí),氣膜冷卻效果對(duì)比。負(fù)攻角下,內(nèi)側(cè)的馬蹄渦加強(qiáng),背弧側(cè)的馬蹄渦受氣流沖擊而減少。改進(jìn)氣膜孔布局后,增加氣膜孔使得葉片前緣得到了冷氣覆蓋。從圖12,13的對(duì)比結(jié)果可見(jiàn),在馬蹄渦分離加強(qiáng)情況下,改進(jìn)的氣膜孔布局的冷卻效果不受影響。4孔內(nèi)流場(chǎng)的影響本文采用孔噴射模型,對(duì)葉柵端壁氣膜孔兩種布局冷卻效果的比較,結(jié)果表明:1)噴射模型Cooling/Bleed便于在壁面上布置大量的氣膜冷卻孔,節(jié)省了大量的計(jì)算工作量。盡管無(wú)法捕捉到孔內(nèi)腔的流場(chǎng)以及溫度場(chǎng)特性,也無(wú)法反映孔內(nèi)部流動(dòng)對(duì)平板氣膜冷卻的影響,但是對(duì)分析考察整體端壁的氣膜效果還是