劉紅梅，張 勃，吉洪湖，程 明，王艷麗，吳敬華

（1.南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院,南京 210016；2.中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所，沈陽 110015；3.華能煙臺發(fā)電有限公司，山東煙臺 264000）

0 引言

作為1種主動防護性冷卻技術(shù)，氣膜冷卻從20世紀70年代開始被廣泛應(yīng)用于燃燒室和渦輪設(shè)計中。近幾年來，發(fā)展了1種先進的氣膜冷卻方式，即多斜孔壁冷卻。多斜孔壁冷卻結(jié)構(gòu)[1-2]的主要特征是：在壁面上布置密集分布的傾斜孔（孔徑為0.5～1.0 mm）。冷卻氣在燃燒室壁燃氣側(cè)形成氣膜，將壁面與熱燃氣隔離，起到明顯的強化冷卻作用，其直徑比傳統(tǒng)氣膜冷卻的直徑小得多，氣膜小孔內(nèi)的對流換熱非常顯著，可進一步對壁面進行冷卻。國內(nèi)外針對多斜孔壁冷卻方式開展了大量研究。Goldstein等通過研究冷卻氣流入射角α對氣膜冷卻效果的影響，發(fā)現(xiàn)較小的α更利于冷氣流貼附于壁面，并且α越小，冷卻效果越好；宋波等[4]研究了4種孔陣排列方式（順排、叉排、順排+復(fù)合角及叉排+復(fù)合角）下多斜孔壁氣膜冷卻絕熱溫比，發(fā)現(xiàn)叉排孔陣排列方式明顯優(yōu)于順排的；許全宏、林宇震等[5]研究了多斜孔壁冷卻方式小孔內(nèi)對流換熱特性；胡婭萍等[6]對4種疏密度排列下的平板熱側(cè)面上的冷卻效果進行了數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi),孔陣排列的疏密度越大,冷卻效果越好；張勃等[7]則將多斜孔壁冷卻結(jié)構(gòu)應(yīng)用于燃燒室實際結(jié)構(gòu)中，與機加環(huán)冷卻結(jié)構(gòu)相比，其冷卻效果明顯提高，并且冷卻氣量減少。

在傳統(tǒng)的多斜孔壁冷卻結(jié)構(gòu)中，由于多斜孔壁存在沿程冷卻效果沿軸向逐漸積累[7]，換熱特性逐漸增強的特點，壁面前段溫度較高，而后段壁溫大幅低于材料許用溫度，采用變孔排距模型，改變孔排布，優(yōu)化冷卻氣流量沿程分配，將有利于改善壁面溫度分布，起到減小模型表面溫度差，減小熱應(yīng)力，提高可靠性的作用。由于燃燒室中不同位置換熱特點具有顯著區(qū)別，因此，需要根據(jù)熱載荷分布進行針對性設(shè)計，以達到良好的冷卻效果[8]。

本文從多斜孔的排布規(guī)律出發(fā)，研究了不同孔排規(guī)律對冷卻效果的影響，同時，對壁面前端開孔規(guī)律進行了優(yōu)化設(shè)計，有效改善了冷卻流量分配，降低了壁面前端溫度。

1 物理模型和冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計

環(huán)形燃燒室在現(xiàn)代渦輪發(fā)動機中廣泛應(yīng)用，在一定工況下，其溫度在確定的軸向位置上沿徑向基本均勻分布。為了減少計算量，選取2～3列孔的某一局部區(qū)域進行分析，由于其弧度非常小，可以簡化為矩形通道來研究。

對于多斜孔冷卻，小孔的直徑、數(shù)目和孔排距對壁面溫度分布有很大影響，是非常關(guān)鍵的設(shè)計參數(shù)。本文針對孔排距問題進行研究，設(shè)計了3種均勻孔排距模型A1、A2、A3,而后在此基礎(chǔ)上，綜合以上3種孔排距，設(shè)計非均勻孔排距模型B；針對模型前端溫度梯度較大的問題，對模型前段開孔規(guī)律進行了改進設(shè)計，得到模型 B1、B2、B3。

中多斜孔開孔參數(shù)如圖1所示。多斜孔壁長度均為140 mm，寬度為5.45 mm，板厚δ=1.5 mm，孔傾角α＝20°，孔間距P＝5.45 mm。均勻孔排距A系列模型如圖2所示。非均勻孔排距B系列模型如圖3所示。其中，模型B前端I段、中間II段和后端III段分別采用與模型A1、A2和A3相同的孔排距。本文對模型B中I段開孔區(qū)域進行優(yōu)化設(shè)計，II段和III段結(jié)構(gòu)保持不變，模型B1在模型B的基礎(chǔ)上，保持孔數(shù)不變，將I段的孔徑擴大為0.9 mm，模型B2則在模型B的基礎(chǔ)上，保持孔徑不變，將I段的孔排距減小為2.48 mm，模型B3在模型B2基礎(chǔ)上，保持孔數(shù)不變，將I段的孔徑減小為0.6 mm。各模型的具體參數(shù)見表1。

表1 各模型斜孔幾何參數(shù)

2 數(shù)值計算方法

2.1 湍流模型

本文所有算例均采用SST k-ω模型進行湍流模擬，該湍流模型適于在低雷諾數(shù)情況下的近壁處理,在數(shù)值計算和實際應(yīng)用中表現(xiàn)出其準確和及時預(yù)測分離特性[9]，從而使計算結(jié)果更準確。

流動方程和輸運方程均采用2階迎風(fēng)差分格式進行離散，收斂的判斷標準是相對殘差小于1×10-6。

2.2 計算網(wǎng)格和邊界條件

本文采用的幾何模型2維截面如圖4所示。整個計算域分為冷流區(qū)、多斜孔壁和熱流區(qū)。熱流、冷流通道高度分別為42.0和19.5 mm，平板計算域長度為280 mm，其中開孔區(qū)域長度為140 mm,在開孔區(qū)域上游與下游均增加了70 mm的無孔區(qū)，以使其進、出口氣流完全發(fā)展。計算域兩側(cè)設(shè)為周期面。

模型整個計算域均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，周期面上的網(wǎng)格分布如圖5所示，在多斜孔和多斜孔壁冷、熱側(cè)附近等流動參數(shù)變化劇烈的區(qū)域?qū)嵤┝司W(wǎng)格局部加密?？變?nèi)網(wǎng)格如圖6所示。

圖5 周期面網(wǎng)格

圖6 孔內(nèi)網(wǎng)格

模型熱流區(qū)和冷流區(qū)進口均采用壓力進口，給定壓力和溫度條件，出口則采用壓力出口，給定壓力和溫度條件，具體參數(shù)見表2。

表2 計算域進、出口參數(shù)

3 計算結(jié)果分析

3.1 孔排距的影響分析

對孔排距的影響進行分析，得到孔排距對平板換熱特性的影響規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，分析非均勻孔排距的影響。

3.1.1 孔排距對平板熱側(cè)面冷卻效果的影響

不同模型熱側(cè)面的周向平均溫度隨流向的分布曲線如圖7所示。從圖中可見,在A系列模型中，壁面溫度沿流向逐漸降低，但降低趨勢漸緩，隨著孔排距的增大，溫度升高，在后端受到多斜孔壁氣膜冷卻效果的累積效果影響[10]，3種模型溫差有所減小。而模型B的壁面溫度在不同區(qū)域分布規(guī)律分別與和該區(qū)域具有相同開孔規(guī)律的模型A1、A2、A3的相似：在I區(qū)域，壁面溫度與A1的接近；而在II區(qū)域，其分布規(guī)律與A2的相近，但溫度略低，這是由于其前端冷卻效果強于A2的原因?qū)е碌?；在區(qū)域III，其溫度大幅低于A3的，整體軸向溫度差減小。由此可知，模型B強化了前端的局部換熱，并且使壁溫分布更加均勻，明顯增強了冷卻效果。

圖7 平板熱側(cè)面溫度分布曲線

周向平均有效溫比 ηeff=（Tg-Tw）/（Tg-Tc）（式中：Tg為熱流體溫度；Tc為冷流體溫度；Tw為被冷卻壁面絕熱壁溫）沿流向的分布曲線如圖8所示。多斜孔壁冷卻方式的有效溫比是評價冷卻效果的1個非常重要的參數(shù)，表示熱側(cè)壁面的氣膜冷卻保護的有效程度[4]?？梢娫诓煌Ｐ椭?，其有效溫比總體均沿流向逐漸增大。隨著孔排距增大，多斜孔壁前端溫比明顯減小，而后端區(qū)別逐漸減小，而模型B的I、II、III段的有效溫比依然分別與模型A1、A2、A3的相似，而且在II、III段的有效溫比分別大于模型A2、A3的。充分說明了模型B的非均勻孔排布加強了多斜孔壁的氣膜冷卻能力。

圖8 平板熱側(cè)面有效溫比分布曲線

3.1.2 孔排距對平板熱側(cè)面溫度梯度的影響

高溫升燃燒室火焰筒的工作環(huán)境惡劣，壁溫梯度大，而火焰筒的壁溫梯度是決定其使用壽命的主要因素，必須嚴格控制。另外，由于火焰筒內(nèi)流場十分復(fù)雜以及存在多斜孔，需要精細研究壁溫梯度的分布，為延長火焰筒使用壽命提供理論依據(jù)[11-12]。各模型多斜孔壁熱側(cè)的溫度梯度?T/?X沿流向的分布曲線如圖9所示。從圖9中可見，壁面溫度梯度沿流向先增大后隨著氣膜冷卻效果的增強而減小，最終趨于平坦。隨著孔間距的增大，壁面前端的溫度梯度逐漸減小，模型整體溫度梯度均勻性增強。模型A2、A3的溫度梯度變化規(guī)律與模型A1的相同。而模型B的壁面前端溫度梯度類似于A系列模型的，其中后段溫度梯度較小，壁面后端溫度場均勻，應(yīng)力分布均勻，明顯優(yōu)于A系列模型的。

3.1.3 冷卻氣體流量分析

多斜孔壁冷卻結(jié)構(gòu)的長徑比較大，使得其流量系數(shù)較小[13]。對于模型 A1、A2、A3,隨著開孔面積的減少，流量逐漸減少。以模型A1冷卻氣量mA1為基準，定義相對用氣量M1=m/mA1。模型A2和A3的相對用氣量分別為0.80和0.61，模型B的相對用氣量為0.77，處于模型A2和A3的之間。各模型相對冷卻用氣量如圖10所示。

3.2 非均勻孔排布對平板換熱特性的影響

采用變孔排距分布的多斜孔排布形式，優(yōu)化了流量沿軸向分配，有效提高了壁面溫度均勻性，但是由圖9可知模型前端溫度梯度依然較大，這是由于對應(yīng)位置沒有形成有效氣膜覆蓋所導(dǎo)致的。針對壁面前端進行了冷卻方案改進設(shè)計，得到了B1、B2、B3模型。

在模型B的基礎(chǔ)上，為強化模型前端的換熱，增加I段的開孔面積和對應(yīng)位置冷氣流量，改善前端局部換熱，對多斜孔壁的孔排布進行改進設(shè)計。其中，模型B1增大了I段的孔徑，孔數(shù)不變，增加了開孔面積，強化了前端換熱；模型B2增加了I段的孔數(shù)，孔徑不變，增加I段開孔面積，以改變流量分配，強化前段換熱；考慮到開孔面積增加會使整體冷卻氣用量增加，模型B3在模型B2基礎(chǔ)上減小I段的孔徑，以達到在保證冷卻效果的前提下減少冷卻用氣量的目的。

3.2.1 平板熱側(cè)面上冷卻效果對比分析

B系列模型平板熱側(cè)面的周向平均溫度和有效溫比隨流向的分布曲線分別如圖11、12所示。從圖中可見，模型B1 I區(qū)域孔徑的增大使得對應(yīng)位置冷卻面積增加，換熱特性明顯增強，溫度降低60 K左右，而II、III區(qū)域內(nèi)溫度也有所降低；模型B2 I區(qū)域孔排距的減小同樣使得冷卻面積增加，前端冷卻流量增加，模型壁面溫度分布曲線與模型B1的相近；模型B3減小了I區(qū)域的孔排距，同時減小了孔徑，在總開孔面積增加的條件下，流量系數(shù)有所減小，同時也提高了壁面前端局部冷卻的效果，溫度降低了40 K左右。

3.2.2 平板熱側(cè)面上溫度梯度分布情況分析

B系列模型多斜孔壁熱側(cè)的軸向溫度梯度的分布曲線如圖13所示。從圖中可見，對模型前端換熱效果進行優(yōu)化后，B1模型的溫度梯度波動較大，而B2和B3模型的波動均較小，所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力也較小，對提高平板可靠性有利。

3.2.3 冷卻氣體流量分析

以模型B的冷卻氣量mB為基準，比較了不同模型的相對冷卻用氣量變化M2=m/mB，模型B1、B2和B3的相對冷卻用氣量分別為1.51、1.07和1.04，與模型B的相比，模型B1的相對冷卻流量最大，這是由于其開孔直徑增大，使得流量系數(shù)增大和面積增加所導(dǎo)致的，而模型B2和B3的冷卻用氣量均比較少。綜合前面所述，模型B2的冷卻效果較好，且冷卻用氣量較少，達到了對模型冷卻氣用量進行合理分配并改善冷卻效果的目的。4種改進模型相對冷卻用氣量如圖14所示。

4 結(jié)論

本文研究了均勻孔排模型中孔排距變化對流動與換熱的影響，進而對研究結(jié)果進行綜合分析，設(shè)計了不規(guī)則孔排距的多斜孔壁模型，對其冷卻效果較弱的壁面前端的開孔規(guī)律進行了針對性改進設(shè)計，并進行了數(shù)值模擬研究，初步得到如下結(jié)論：

（1）采用改進設(shè)計的非均勻孔排距的多斜孔排布形式，溫度分布更加均勻，有效溫比較大，強化了前端局部換熱，熱應(yīng)力相對減小且分布更加均勻，較好地發(fā)揮了冷氣的冷卻潛力，冷卻空氣量相比均勻孔排模型的降低了23%；

（2）在開孔面積一定的前提下，在平板前端增加孔數(shù)、減小孔徑后，熱側(cè)壁溫分布均勻，有效溫比大，熱應(yīng)力分布均勻，冷卻用氣量少，對燃燒室長時可靠工作有利。為多斜孔壁前端優(yōu)化設(shè)計提供了1種有效措施。

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