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(1.西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院，陜西 西安710072；2.中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，遼寧 沈陽(yáng)110015)

新型尾緣渦冷-沖擊結(jié)構(gòu)流動(dòng)換熱特性分析研究

萬(wàn)發(fā)君1，張麗1，欒永先2，宋偉2

(1.西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院，陜西 西安710072；2.中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，遼寧 沈陽(yáng)110015)

0 引言

隨著航空技術(shù)的發(fā)展，航空發(fā)動(dòng)機(jī)已朝著安全高效的方向迅猛前進(jìn)。當(dāng)今世界高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前溫度均在1800K以上。在現(xiàn)階段，由于性能限制，許多新的耐溫材料尚無(wú)法廣泛應(yīng)用到航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，如何在現(xiàn)有材料的基礎(chǔ)上，提高渦輪葉片的冷卻效率就顯得十分重要。在整個(gè)渦輪葉片中，由于幾何尺寸的局限，尾緣部分的冷卻問題相對(duì)棘手，好多航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障是由于渦輪葉片尾緣部分因高溫?cái)嗔岩鸬?，因此，加大?duì)尾緣冷卻的研究十分必要。

國(guó)內(nèi)外很多專家學(xué)者已經(jīng)對(duì)尾緣的結(jié)構(gòu)進(jìn)行過(guò)相對(duì)詳細(xì)的研究。但是大多數(shù)研究都是基于擾流柱冷卻結(jié)構(gòu)[1-7]。同樣一種方式，不論怎樣優(yōu)化，還是無(wú)法形成質(zhì)變。只要擾流柱這種冷卻方式不變，那么尾緣氣流換熱的效率就不會(huì)有較大的改變。而Liu J等[8]對(duì)三重沖擊結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，認(rèn)為三重沖擊使得冷氣充分對(duì)流，在定雷諾數(shù)下，換熱效果較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)有較大提高。因此,有必要將渦冷和沖擊結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)并融合，與傳統(tǒng)擾流柱結(jié)構(gòu)在流動(dòng)與換熱方面進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)渦冷-沖擊結(jié)構(gòu)的流動(dòng)換熱特性進(jìn)行研究。

1 計(jì)算模型

1.1 物理模型

為了實(shí)現(xiàn)縱渦和沖擊冷卻的效果，需要設(shè)計(jì)出一種不同于現(xiàn)在主流的內(nèi)流通道結(jié)構(gòu)。為此，對(duì)尾緣冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，不再采用擾流柱結(jié)構(gòu)，而是增加交錯(cuò)的通道，增加氣流沖擊換熱的面積，后段采取收縮結(jié)構(gòu)，增加冷氣出流速度，增強(qiáng)換熱。

渦冷-沖擊尾緣的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，分別為外形和內(nèi)腔。具體的流動(dòng)方式如圖2所示。冷氣由進(jìn)氣腔進(jìn)入入口沖擊通道，氣流高速進(jìn)入沖擊腔1，對(duì)壁面進(jìn)行沖擊冷卻。沖擊腔設(shè)計(jì)成圓形結(jié)構(gòu)，這有利于氣流貼著壁面進(jìn)行冷卻，進(jìn)而在沖擊腔整個(gè)空間形成縱渦。由參考文獻(xiàn)[5]可知，此種渦結(jié)構(gòu)相對(duì)于單純的沖擊，有更好的冷卻效果。氣流進(jìn)入沖擊腔1之后，進(jìn)入二次沖擊通道，過(guò)程類似，在沖擊腔2進(jìn)行沖擊冷卻以及縱渦換熱，隨后經(jīng)由出流收縮通道，增加流速，加強(qiáng)化熱，對(duì)尾緣的最后部分進(jìn)行冷卻。其中，入口沖擊通道與二次沖擊通道交錯(cuò)分布。

圖1 渦冷-沖擊結(jié)構(gòu)(外形及內(nèi)腔)

圖2 渦冷-沖擊結(jié)構(gòu)(內(nèi)腔分布)

為了充分體現(xiàn)新結(jié)構(gòu)的換熱效果，在計(jì)算過(guò)程中也設(shè)計(jì)了第2種渦冷-沖擊結(jié)構(gòu)，其區(qū)別在于沖擊通道截面形狀。上面介紹的是圓形截面通道，現(xiàn)加入方形截面通道與其進(jìn)行對(duì)比。除了對(duì)這2種形狀的通道進(jìn)行對(duì)比之外，也會(huì)將新結(jié)構(gòu)與現(xiàn)行的普通擾流柱尾緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比。

1.2 數(shù)值方法

采用CFX軟件進(jìn)行建模和數(shù)值求解。計(jì)算程序采用有限體積法及全隱式方法求解三維定常粘性N-S方程。從參考文獻(xiàn)[8]中可知，對(duì)于含有沖擊冷卻的尾緣結(jié)構(gòu)，數(shù)值模擬選用SST湍流模型與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。因此，計(jì)算模型采用SST湍流模型，選用二階精度計(jì)算格式，計(jì)算殘差收斂到1×10-5。為了使計(jì)算得到的溫度場(chǎng)更準(zhǔn)確，數(shù)值模擬中采用流固耦合方法，考慮了葉片的導(dǎo)熱。計(jì)算網(wǎng)格為非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。因該結(jié)構(gòu)為周期性結(jié)構(gòu)，所以計(jì)算只取其中一段周期進(jìn)行模擬，這樣既可以因?yàn)槟Ｐ涂s小而減少網(wǎng)格數(shù)量，又可對(duì)其網(wǎng)格進(jìn)行合理加密，總體來(lái)說(shuō)網(wǎng)格數(shù)量大大減少，便于精確計(jì)算。

1.3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

流固耦合計(jì)算的準(zhǔn)確性與流體域網(wǎng)格質(zhì)量關(guān)系更加密切，因此,只對(duì)流體域網(wǎng)格進(jìn)行無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。使用ICEM軟件進(jìn)行網(wǎng)格繪制，分別繪制了103萬(wàn)、160萬(wàn)、350萬(wàn)、500萬(wàn)以及780萬(wàn)的流體域網(wǎng)格進(jìn)行對(duì)比。經(jīng)過(guò)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)103萬(wàn)與160萬(wàn)網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果誤差較大，而350萬(wàn)以上的3種網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果的對(duì)應(yīng)變量最大誤差小于1%，因此,使用350萬(wàn)網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)值模擬。

1.4 邊界條件

在冷氣的進(jìn)口處給定完全氣體質(zhì)量流量、溫度、流向及湍流度, 并假定進(jìn)口參數(shù)均勻分布，冷氣溫度為875K，出口背壓為20atm。固體壁面給第三類邊界條件：壁溫為1800K，與主流間對(duì)流換熱系數(shù)hext=4 000W/(m2·K)，材料為鋼；進(jìn)口雷諾數(shù)分別為60000，70000，80000，90000，100000。根據(jù)流固耦合計(jì)算方法，流體與固體接觸部分設(shè)為交接面。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 參數(shù)定義

經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬，對(duì)結(jié)構(gòu)的平均Nu數(shù)、平均壓力損失系數(shù)Ep、綜合性能評(píng)價(jià)系數(shù)F以及綜合冷效η進(jìn)行了對(duì)比。

2.2 計(jì)算結(jié)果及分析

由圖3～圖6可以看出，在換熱能力上，渦冷-沖擊結(jié)構(gòu)比普通擾流柱結(jié)構(gòu)有了3倍以上提高，而且隨著Re數(shù)的增加，這種提高會(huì)越發(fā)明顯，在Re數(shù)為100000的時(shí)候，渦冷-沖擊結(jié)構(gòu)的換熱能力是普通擾流柱結(jié)構(gòu)的10倍左右；流動(dòng)方面，渦冷-沖擊結(jié)構(gòu)的壓力損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于普通擾流柱結(jié)構(gòu)，其壓力損失可減少70%以上；綜合性能系數(shù)方面，圓形截面的渦冷-沖擊結(jié)果遠(yuǎn)好于其他2種結(jié)構(gòu)；綜合冷效方面，渦冷-沖擊結(jié)構(gòu)比普通擾流柱結(jié)構(gòu)提高了2倍左右。

圖3 3種結(jié)構(gòu)Nu數(shù)對(duì)比

圖4 3種結(jié)構(gòu)Ep對(duì)比

圖5 3種結(jié)構(gòu)F對(duì)比

圖6 3種結(jié)構(gòu)η對(duì)比

而在2種渦冷-沖擊結(jié)構(gòu)之間，圓形沖擊通道結(jié)構(gòu)與矩形沖擊通道結(jié)構(gòu)各有優(yōu)勢(shì)。圓形沖擊結(jié)構(gòu)在壓力損失和綜合性能方面，比矩形沖擊結(jié)構(gòu)更具優(yōu)勢(shì)；而在換熱和綜合冷效方面，矩形沖擊結(jié)構(gòu)更勝一籌。通過(guò)計(jì)算結(jié)果對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，圓形沖擊結(jié)構(gòu)的換熱能力和綜合冷效方面與矩形沖擊結(jié)構(gòu)的差距，與兩者壓力損失和綜合性能之間的差距相比，是不太明顯的。可以認(rèn)定，兩者在換熱能力上基本持平，而在流動(dòng)方面圓形沖擊結(jié)構(gòu)更加出色。因此，將對(duì)圓形沖擊結(jié)構(gòu)進(jìn)行更深入的分析。

為了探尋性能更好的圓形截面沖擊通道的渦冷-沖擊結(jié)構(gòu)，對(duì)渦冷-沖擊結(jié)構(gòu)的流動(dòng)進(jìn)行改進(jìn)。首先,擴(kuò)大出口面積，只在Re數(shù)為70000和80000進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了如下的計(jì)算結(jié)果。

由圖7可知，從計(jì)算結(jié)果上看，出口面積的擴(kuò)大明顯減小了流動(dòng)阻力，進(jìn)口壓力減小了30%，但是壓力損失卻有所增大，增幅15%左右。另外，進(jìn)口面積的擴(kuò)大帶來(lái)的另外一個(gè)問題是換熱能力略有下降；而在綜合性能方面，擴(kuò)大出口面積后與之前相比下降了25%左右；在綜合冷效方面，兩者相差不多?？梢哉f(shuō)，擴(kuò)大出口后對(duì)于結(jié)構(gòu)的換熱能力影響不大，對(duì)流動(dòng)產(chǎn)生了較大影響。結(jié)合實(shí)際情況，擴(kuò)大出口面積之后的入口壓力更貼近現(xiàn)有壓氣機(jī)可以提供的冷氣壓力，實(shí)用性更強(qiáng)，在換熱效果差不多的情況下，雖然壓力損失略有增大，但是決定將擴(kuò)大出口后的結(jié)構(gòu)作為進(jìn)一步的研究對(duì)象。

圖7 擴(kuò)大出口后與原結(jié)構(gòu)之間相應(yīng)參數(shù)對(duì)比

在此基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)：同時(shí)擴(kuò)大入口沖擊通道進(jìn)行數(shù)值模擬。由于篇幅限制，所以只對(duì)Re數(shù)為80000的時(shí)候進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表1所示。

表1擴(kuò)大入口沖擊通道與原通道結(jié)構(gòu)相應(yīng)參數(shù)數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

結(jié)構(gòu)名稱NuEpFη圓形通道(入口沖擊通道D=0．96)233．22017．73613．1490．667圓形通道(入口沖擊通道D=1．20)282．60739．7127．1160．690圓形通道(入口沖擊通道D=1．50)318．89277．0304．1400．665

由表1可以看出，沖擊孔徑增大，換熱效果顯著提升，但是壓力損失系數(shù)有所增加，綜合性能下降。雖然綜合冷效相差不多，但是對(duì)于以綜合性能為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)說(shuō)，這些改變是不能接受的。因此認(rèn)為，只改變?nèi)肟跊_擊通道的直徑是無(wú)法提升綜合性能的。于是對(duì)于二次沖擊通道，也對(duì)其直徑作了一定擴(kuò)張，取沖擊通道D=1.2的進(jìn)行模擬，Re數(shù)為80000，結(jié)果如表2所示。

表2擴(kuò)大二次沖擊通道與原通道結(jié)構(gòu)相應(yīng)參數(shù)數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

結(jié)構(gòu)名稱NuEpFη圓形通道(入口沖擊通道D=0．96)233．22017．73613．1490．667圓形通道(入口沖擊通道D=1．20)282．60739．7127．1160．690圓形通道(入口沖擊通道D=1．20，二次沖擊通道直徑增大)204．37325．3358．0670．643

由表2可以看出，中間通道直徑增大后，結(jié)構(gòu)的壓力損失有所改善，綜合性能略有提高，而換熱效果和綜合冷效都有著不同幅度的下降。而且與只擴(kuò)大出口的結(jié)構(gòu)相比，兩者的性能都不是最佳。因此，保留原來(lái)的圓形通道直徑，只擴(kuò)大出口面積(稱新渦冷-沖擊結(jié)構(gòu))，加以具體分析。

由圖8～圖10(Re=80000，hext=4 000W/(m2·K)) 可以看出,新渦冷沖擊的換熱和流動(dòng)情況。氣流高速進(jìn)入沖擊腔，并在沖擊腔形成了縱渦，冷氣與壁面的對(duì)流換熱效果明顯，大大降低了葉片尾緣的溫度(600K左右)，從而可以適當(dāng)提高渦輪前主流溫度，提高發(fā)動(dòng)機(jī)推力及效率。

圖8 沿流動(dòng)方向截面流線分布

圖9 沿流動(dòng)方向截面溫度分布

圖10 流固交界面對(duì)流換熱系數(shù)分布

3 結(jié)束語(yǔ)

在改變了流動(dòng)方式，形成了高速縱渦之后，冷氣與壁面的對(duì)流換熱效果明顯。渦冷-沖擊結(jié)構(gòu)的換熱能力與普通的擾流柱結(jié)構(gòu)相比，在相同Re數(shù)下，換熱能力大幅度提高(可以提高5倍以上)。渦冷-沖擊結(jié)構(gòu)的壓力損失系數(shù)大大減少，綜合性能和綜合冷效大幅度提高。在2種渦輪-沖擊結(jié)構(gòu)中，通過(guò)比較，圓形沖擊通道結(jié)構(gòu)在總體上比矩形通道更好一些。在合理擴(kuò)大出口面積之后，圓形沖擊通道結(jié)構(gòu)的流動(dòng)阻力相比之前有了大幅度提高，雖然壓力損失略有增加，但是冷卻效果基本不變，而且入口壓力大幅度降低，更接近實(shí)用。對(duì)以后渦輪葉片的設(shè)計(jì)，提供了一個(gè)很好的思路，尤其是超高溫渦輪葉片，葉片整體也可以借鑒該結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，在現(xiàn)有材料的基礎(chǔ)上，提高換熱效率，使葉片結(jié)構(gòu)在換熱與流動(dòng)的配合上達(dá)到最優(yōu)。

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Flow and Heat Transfer in a New Configuration of Vortex-impingement for Trailing Edge Cooling

WANFa-jun1,ZHANGLi1,LUANYong-xian2,SONGWei2

(1.School of Power and Energy,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072,China;2.AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute,Shenyang 110015,China)

設(shè)計(jì)了一種新型尾緣結(jié)構(gòu)。通過(guò)采用雙重渦冷雙重沖擊的方法，最大限度地利用冷卻氣流，提高整個(gè)尾緣的換熱能力。在優(yōu)化圓形截面通道結(jié)構(gòu)過(guò)程中，試著通過(guò)改變通道橫截面積來(lái)減少壓力損失，通過(guò)幾種方案比較，認(rèn)為只擴(kuò)大出口面積效果最佳。

渦輪；葉片尾緣；渦冷；沖擊；換熱；壓力損失；綜合冷效

A new trailing edge was designed.By double-impingement and vortex cooling configuration,use cooling fluid farthest to improve the heat transfer of the whole trailing edge.In the process of optimizing the circle passage configuration,the cross section area of the passage was varied to reduce pressure loss.Compared with some cases,the one only enlarged the area of exit performed best.

turbine;trailing edge;vortex cooling;impingement;heat transfer;pressure loss;overall cooling efficiency

2013-12-17

V231.1

A

1001-2257(2014)04-0020-04

萬(wàn)發(fā)君(1988-)，男，遼寧丹東人，碩士研究生，研究方向?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件冷卻。