时间:2024-07-28
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姊妹孔与单入双出孔平板气膜冷却效率的数值模拟
张玲1,郭瑞红1,李浩2,郭达飞3
(1. 东北电力大学 能源与动力工程学院, 吉林省吉林 132012;
2. 华能国际电力有限公司玉环电厂, 浙江台州 317604;
3. 华电内蒙古能源有限公司包头发电分公司, 内蒙古包头 014013)
摘要:采用Fluent分离隐式求解器进行稳态计算,在吹风比为0.5、1.0、1.5和2.0的情况下,采用Realizable k-ε湍流模型对圆柱孔、单入双出孔和姊妹孔平板气膜冷却进行数值模拟,讨论不同孔形平板主流方向和平板横向的冷却效率以及流场变化.结果表明:主流方向在近孔区域姊妹孔冷却效率高于单入双出孔,且随着吹风比的增大优势更加明显,但是由于射流贴附壁面较早,射流与主流掺混引起动量损失,到远孔区域以后,姊妹孔冷却效率稍微下降,低于单入双出孔;姊妹孔平板横向近孔区域的气膜层分布较均匀,单入双出孔远孔区域由于主孔与次孔射流速度差引起气膜层偏移,导致平板一侧冷却效果好,另一侧冷却效果欠佳;吹风比较小时单入双出孔冷却效果较佳,大吹风比下姊妹孔优势明显.
关键词:气膜冷却; 单入双出孔; 姊妹孔; 冷却效率; 数值模拟
收稿日期:2014-05-06修订日期:2014-06-24
基金项目:吉林省科技厅科技发展计划资助项目(20130101046JC)
作者简介:张玲(1970—),女,山东莱阳人,博士,教授,主要从事流体机械内流的数值与实验方面的研究.电话(Tel.):0432-64806281;
中图分类号:
Numerical Simulation on Film Cooling Effectiveness on a
Flat Plate with Sister or Single-inlet Double-outlet Holes
ZHANGLing1,GUORuihong1,LIHao2,GUODafei3
(1. School of Energy and Power Engineering, Northeast Dianli University, Jilin 132012, Jilin Province,
China; 2. Yuhuan Power Plant, Huaneng Power International, Inc., Taizhou 317604, Zhejiang
Province, China; 3. Baotou Power Generation Branch, Huadian Inner Mongolia Energy Co.,Ltd.,
Baotou 014013, Inner Mongolia Autonomous Region, China)
Abstract:By steady state calculation using Fluent segregated implicit solver, and in combination with Realizable k-ε turbulence model, numerical simulations were conducted to the film cooling effectiveness on a flat plate respectively with cylindrical, single-inlet double-outlet and sister holes at blowing ratios of 0.5, 1.0, 1.5 and 2.0, so as to study the film cooling effectiveness in main stream and lateral direction as well as to study the flow field. Results show that along the main stream direction, the cooling efficiency of sister holes is higher than that of single-inlet double-outlet hole in the near region of hole, and their difference increases with the rise of blowing ratio; but in the far region of hole, the cooling efficiency of sister holes drops a little and becomes lower than the single-inlet double-outlet hole, due to the earlier wall attachment of jet and the momentum loss caused by the mix of jet with main stream. Whereas along the lateral direction, the cooling film of sister holes is relatively uniform in the near region of hole, and the cooling effectiveness of single-inlet double-outlet hole is good at one side and poor at the other side in the far region of hole, due to the film displacement caused by jet velocity difference of the primary and secondary hole. It is concluded that the cooling effectiveness of single-inlet double-outlet hole is better in the case of lower blowing ratios, while the cooling effectiveness of sister holes becomes better in the case of higher blowing ratios.
Key words: film cooling; single-inlet double-outlet hole; sister holes; cooling efficiency; numerical simulation
燃气轮机广泛应用于能源、电力和航空等领域,其输出功率随转子入口燃气温度的提高而提高,但是温度太高会导致叶片表面高温腐蚀,并引起叶片热应力,减少其寿命,所以需要对叶片进行有效冷却,准确预估叶片的冷却效果对设计起着重要作用.气膜冷却[1]是指通过在高温部件表面开设槽缝或小孔,将冷却介质以横向射流形式注入主流中,在主流的压迫作用下,射流弯曲并覆盖于高温表面,形成低温气膜,从而对高温部件起到隔热和冷却作用[2].
在众多影响气膜冷却效率的因素中,孔形的影响最为显著,近年来国内外学者对孔形进行了大量的研究.李广超等[3-4]对双向扩张形孔射流的流动进行了研究,结果表明双向扩张形孔不仅可以有效地提高射流对平板的气膜冷却效率,而且具有较小的流通阻力.单入双出孔可以有效地改善孔内流体流动,充分发挥次孔复合角射流的优势,大幅度提高冷却效率.郭涛等[5]对双排叉排簸箕形气膜孔孔排下游的换热进行了实验研究,结果表明:双排气膜孔下游换热有所增强,且分布更均匀.姚玉等[6]对缩放槽缝形孔进行了数值研究,结果表明:随着吹风比的增大,缩放槽缝形孔的气膜冷却效率提高;在相同吹风比条件下,缩放槽缝形孔的气膜冷却效率较圆柱孔高,较缝型孔低.由国内外学者所做的大量研究可知,反向对涡旋的存在是导致冷却效率降低的首要因素,对涡旋起源于射流孔内部,射流从冷却孔射出后穿透主流层,并卷吸周围高温气体,导致部分高温气体绕过冷却射流直接与壁面接触.Walters 等[7]提出3种减弱对涡旋的方法:(1) 削弱孔内涡源的产生,如双向扩张孔、缩放槽缝形孔、单入双出孔和圆锥孔等;(2) 减小对涡旋与冷却孔下游的垂直距离,使射流附壁性增强,如姊妹孔、水滴形孔、簸箕孔和扇形孔等;(3) 增大气膜层的径向宽度,如在圆柱孔出口处开槽缝或者在孔口上游安装三角突起.
综上可知,异型孔较传统圆柱孔可以更有效地冷却壁面,但是复杂的加工工艺使其实际应用有很大的局限性,缩放槽缝形孔冷却效果较为理想,但至今为止只是应用于国外某固定机型.槽缝形孔可以使射流先在槽缝中横向流动以减弱射流出口速度,提高气膜层的径向均匀性,但是其狭长的缝形结构使叶片刚度变弱,影响叶片寿命.因此,找到既可以大幅度提高冷却效率又易于加工的孔形是当今一项重要的研究课题.笔者对以圆柱孔为基础而衍生出的单入双出孔和姊妹孔[8]进行了数值模拟,并与圆柱孔进行比较,对比分析3种孔形对平板冷却效率的影响.
1物理模型和数值计算方法
1.1几何模型
单入双出孔和姊妹孔结构示意图见图1.单入双出孔由1个主孔和1个次孔组成,主孔直径D=12.7 mm,次孔直径D0=0.9D,次孔中轴线与主孔中轴线交点距离射流入口1.5D.姊妹孔由中心线相互平行的1个主孔和2个次孔组成,主孔直径D1=0.82D,次孔直径D2=0.5D1.为了保证计算结果具有可比性,3种孔形在射流入口处具有相同的开孔率,即射流入口面积相同,保证3种情况下流入冷却孔的射流质量流量相同.射流入射角度均为35°[9],单入双出孔中次孔与主流平面夹角为65°,方位角为45°[10],如图1(d)所示.姊妹孔在出口平面上夹角采用30°,即次孔位于主孔中心线下游1.299D1位置处,各次孔圆心横向方向距离中心线0.75D1,使主孔次孔中心连线与主流方向平板中轴线成30°夹角,如图1(c)所示.
1.2流场区域和边界条件
流场区域如图2所示,主流入口底边一侧端点为坐标系原点,射流孔中心距离主流入口为5D,距离主流出口为30D,气膜孔间距z方向为3D,冷却孔长为5D,主流和射流入口边界条件为速度入口,出口设定为压力出口.壁面绝热且无滑移,主流温度T∞=353.15 K,射流温度Tc=293.15 K,主流入口平均速度v∞=10 m/s,工质均为空气.
建立姊妹孔夹角为45°的模型[8],即在出口平面上次孔位于主孔中心线下游0.75D1位置处,各次孔圆心横向方向距离主流中心线0.75D1,使主孔次孔中心连线与主流方向平板中轴线成45°夹角.在与文献[8]相同工况下计算得出孔后中心线冷却效率,并与文献[8]中数据进行对比(见图3).由图3可知,相同工况下模拟结果与文献[8]中数据吻合较好,误差不大,说明该模型准确.
(a) 单入双出孔
(b) 姊妹孔
(c) 姊妹孔30°夹角
(d) 单入双出孔示意图
图2 流场区域示意图
图3 模拟计算结果与文献[8]中数据的对比
1.3数值计算方法和参数定义
采用Fluent 分离隐式求解器进行稳态计算,湍流模型采用Realizablek-ε模型[11],且加强壁面处理.压力和速度的耦合采用Simple算法.各物理量的离散格式采用二阶迎风格式.
吹风比定义为
(1)
式中:ρc和ρ∞分别为射流密度和主流密度;vc为射流入口平均速度.
取密度比为1,吹风比M取0.5、1.0、1.5和2.0,得到相应射流速度分别为5 m/s、10 m/s、15 m/s和20 m/s.定义气膜冷却效率为
(2)
式中:Taw为绝热壁温;T∞为主流温度;Tc为射流温度.
2结果与分析
2.1主流方向冷却效率
图4给出了3种孔形在吹风比M为0.5和1.0时平板气膜冷却效率云图.冷却效率是评判孔形优劣性的最直接、最有力的标准之一.由图4可知,各孔形沿主流方向冷却效率逐渐降低,相同吹风比下单入双出孔和姊妹孔较圆柱孔冷却效率下降缓慢,到x/D=20处圆柱孔冷却效率下降到0.2,单入双出孔为0.3,姊妹孔为0.25,x/D=20以后姊妹孔和圆柱孔冷却效果等同,劣于单入双出孔.吹风比为1.0时,射流质量流量增加,但是由图4可以看出,吹风比变大后冷却效率等值线图分布没有变密反而变得稀疏.这主要是由于射流动量变大,射流射出冷却孔后穿透力增大,且在冷却孔内部由于速度差产生反向对涡旋,射流射出冷却孔后反向对涡旋得到进一步发展,卷吸周围高温气体,高温气体流入气膜层底,产生使气膜层脱离壁面的附加升力,最终导致射流中心远离壁面,在近孔区域冷却效果比低吹风比时欠佳.
(a) 圆柱孔 M=0.5
(b) 圆柱孔 M=1.0
(c) 单入双出孔 M=0.5
(d) 单入双出孔 M=1.0
(e) 姊妹孔 M=0.5
(f) 姊妹孔 M=1.0
图5给出了不同吹风比下3种孔形孔后中心线冷却效率的变化曲线.由图5可知,x/D<7.5时,η圆柱孔<η姊妹孔<η单入双出孔,这是由于单入双出孔中次孔的特殊位置起到了分流作用,在孔内抑制反向对涡旋的生成,在孔外次孔产生的涡流结构和主孔涡流结构相互作用,减小了射流附加升力,且次孔具有复合角度的优势,使单入双出孔在同等射流质量流量的情况下出口动量小,射流穿透力小.姊妹孔由2种直径不一的圆柱孔组成,在射流射出冷却孔时也具有与圆柱孔相同的缺点,会先穿透主流,随后又在主流的冲击压力作用下向下游弯曲逐步贴近壁面,所以在2个次孔射流未来得及与主孔射流相互作用之前,其冷却效果劣于单入双出孔,但是由于2个次孔的分流作用,其横向均匀性比圆柱孔好.当7.5
(a) M=0.5
(b) M=1.0
(c) M=1.5
(d) M=2.0
2.2横向冷却效率
图6给出了吹风比M=1.0时3种孔形横向冷却效率分布曲线.由图6(a)可知,在1.0 2.3流场分析 图7为吹风比M=1.0时3种孔形不同x/D截面处的涡量图.由图7(a)可以看出,在圆柱孔近孔区域由于射流中心速度大,速度向两侧逐渐衰减[12],形成反向对涡旋,卷吸周围高温气体,主流与射流掺混程度变大,最大涡量达到2.4,且高涡量范围较大,随着x/D的增大,射流中心逐渐被抬离壁面主流,绕过射流直接与壁面接触,产生附加升力,到x/D=10时射流中心已经完全与壁面脱离,冷却效果不理想.由图7(b)可以看出,单入双出孔在x/D=7时最大涡量为1.8,且随着x/D变大,涡量变小,冷却气膜层到x/D=10时依旧很好地贴附于壁面,最大涡量为1,但是由于主次孔射流横向速度差,气膜层向一侧偏移.由图7(b)和图7(c)可以看出,姊妹孔虽然在近孔区域最高涡量为2.4,比单入双出孔高,但是随着次孔射流与孔射流相遇之后,2个次孔产生的涡旋结构像液体阻碍一样阻断了主流与冷却射流的掺混,破坏反向对涡旋.主孔涡心在x/D=8处被2个次孔涡心双向拉拽,抑制主孔射流抬离壁面,气膜层很好地贴附于壁面,在x/D=10处,气膜层横向均匀性良好,冷却效率由平板中轴线向两侧递减. (a) M=1.0 , x/ D=7 (b) M=1.0, x/ D=10 2.4加工工艺分析 从加工工艺方面分析,单入双出孔和姊妹孔都是在传统圆柱孔的基础上衍生出来的,依据就是圆柱孔易于加工,可广泛应用于实际生产中.但是单入 x/ D=7 x/ D=8 x/ D=10 x/ D=7 x/ D=8 x/ D=10 x/ D=7 x/ D=8 x/ D=10 双出孔在主孔与次孔交接处会出现应力集中现象,必须通过流沙技术对交接处进行光滑处理,避免在叶片中产生不利的力学性能[10].姊妹孔是三孔联合射流孔,由1个主孔和2个次孔组成,加工工艺比单入双出孔更简单方便,实现了在降低加工费用的基础上大幅度提高冷却效率,但是需要指出的是,三孔联射的特殊结构需要考虑叶片强度的问题. 3结论 (1) 相同吹风比下主流方向单入双出孔和姊妹孔的气膜冷却效率明显高于圆柱孔,且冷却效率下降缓慢. (2) 平板横向,近孔区域姊妹孔气膜层分布均匀,冷却效果较好,且随着吹风比的增大,优势更加明显,远离孔的区域,单入双出孔由于横向主孔与次孔射流的速度差引起气膜层偏移,导致平板一侧冷却效果很好,另一侧冷却效果欠佳. (3) 单入双出孔和姊妹孔都是由圆柱孔衍生而来的,可广泛应用于实际生产中,对于前者,要考虑主次孔交接处的应力集中现象. 参考文献: [1]张玲,胡博,董海瑞.入射角度对气膜冷却效率影响的数值研究[J].动力工程学报,2011,31(12):916-921. ZHANG Ling, HU Bo, DONG Hairui. Influence of injection angle on film-cooling efficiency[J]. Journal of Chinese Society of Power Engineering, 2011, 31(12): 916-921. [2]葛绍岩,徐靖中.气膜冷却[M].北京:科学出版社,1985. [3]李广超,朱惠人,樊慧明.双向扩张型孔射流角度对气膜冷却特性影响的实验[J].航空动力学报,2009,24(5):1000-1005. LI Guangchao,ZHU Huiren,FAN Huiming. Experimental investigation on film cooling of expanded hole at both inlet and outlet with various injection angles[J].Journal of Aerospace Power, 2009,24(5):1000-1005. [4]李广超,张魏,项松,等.双出口气膜孔冷却效率数值模拟[J].航空动力学报,2010,25(6):1233-1237. LI Guangchao, ZHANG Wei, XIANG Song,etal. Numerical simulation of cooling effectiveness with injection of double-outlet hole[J]. Journal of Aerospace Power, 2010, 25(6): 1233-1237. [5]郭涛,朱惠人,许都纯.双排簸箕形气膜孔下游换热研究[J]. 航空动力学报,2009,24(7):1488-1492. GUO Tao,ZHU Huiren,XU Duchun.Investigation on film cooling heat transfer for double row dust-pan shaped holes[J].Journal of Aerospace Power, 2009,24(7):1488-1492. [6]姚玉,张靖周,周楠.Console 形气膜孔改善冷却效率的数值研究[J].航空动力学报,2008,23(10):1772-1777. YAO Yu,ZHANG Jingzhou, ZHOU Nan.Numerical investigation on improvement of film cooling effectiveness with Console hole[J]. Journal of Aerospace Power, 2008, 23(10):1772-1777. [7]WALTERS D K, LEY LE J H. A detailed analysis of film-cooling physics: part I-stream wise injection with cylindrical holes[J]. Journal of Turbo Machinery, 2000, 122(1): 102-112. [8]ELY M J, JUBRAN B A. A numerical evaluation on the effect of sister holes on film cooling effectiveness and the surrounding flow field[J]. Heat and Mass Transfer, 2009, 45(11): 1435-1446. [9]GARTSHORE I, SALCUDEAN M, HASSAN I. Film cooling injection hole geometry: hole shape comparison for compound cooling orientation[J]. AIAA Journal, 2001, 39(8): 1493-1499. [10]李广超,吴东,张巍,等.次孔方位角对单入口-双出口孔射流气膜冷却效率影响[J].航空动力学报,2011,26(7):1458-1464. LI Guangchao, WU Dong, ZHANG Wei,etal. Influence of orientation angles of branch hole on film cooling effectiveness with one inlet and double outlet hole injection[J]. Journal of Aerospace Power, 2011,26(7):1458-1464. [11]吴海玲,陈听宽,罗毓珊.应用不同紊流模型的二维横向射流传热数值模拟研究[J].西安交通大学学报,2001,35(9):903-907. WU Hailing, CHEN Tingkuan, LUO Yushan. Numerical simulation of 2D jet-to-crossflow heat transfer with different turbulence models[J].Journal of Xi'an Jiaotong University, 2001, 35(9): 903-907. [12]郭婷婷,刘建红,李少华,等.气膜冷却流场的大涡模拟[J].中国电机工程学报,2007,27(11):83-87. GUO Tingting,LIU Jianhong,LI Shaohua,etal.Large eddy simulation of film cooling[J]. Proceedings of the CSEE,2007,27(11):83-87.
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