姊妹孔與單入雙出孔平板氣膜冷卻效率的數(shù)值模擬
2015-12-29 07:35:25張玲,郭瑞紅,李浩等
動力工程學報 2015年4期
E-mail：zhangling_2009@qq.com.
姊妹孔與單入雙出孔平板氣膜冷卻效率的數(shù)值模擬
張玲1，郭瑞紅1,李浩2，郭達飛3
(1. 東北電力大學 能源與動力工程學院， 吉林省吉林 132012；
2. 華能國際電力有限公司玉環(huán)電廠， 浙江臺州 317604；
3. 華電內(nèi)蒙古能源有限公司包頭發(fā)電分公司， 內(nèi)蒙古包頭 014013)
摘要：采用Fluent分離隱式求解器進行穩(wěn)態(tài)計算，在吹風比為0.5、1.0、1.5和2.0的情況下，采用Realizable k-ε湍流模型對圓柱孔、單入雙出孔和姊妹孔平板氣膜冷卻進行數(shù)值模擬，討論不同孔形平板主流方向和平板橫向的冷卻效率以及流場變化.結果表明：主流方向在近孔區(qū)域姊妹孔冷卻效率高于單入雙出孔，且隨著吹風比的增大優(yōu)勢更加明顯，但是由于射流貼附壁面較早，射流與主流摻混引起動量損失，到遠孔區(qū)域以后，姊妹孔冷卻效率稍微下降，低于單入雙出孔；姊妹孔平板橫向近孔區(qū)域的氣膜層分布較均勻，單入雙出孔遠孔區(qū)域由于主孔與次孔射流速度差引起氣膜層偏移，導致平板一側冷卻效果好，另一側冷卻效果欠佳；吹風比較小時單入雙出孔冷卻效果較佳，大吹風比下姊妹孔優(yōu)勢明顯.
關鍵詞：氣膜冷卻； 單入雙出孔； 姊妹孔； 冷卻效率； 數(shù)值模擬
收稿日期：2014-05-06修訂日期：2014-06-24
基金項目：吉林省科技廳科技發(fā)展計劃資助項目(20130101046JC)
作者簡介：張玲(1970—)，女，山東萊陽人，博士，教授，主要從事流體機械內(nèi)流的數(shù)值與實驗方面的研究.電話(Tel.):0432-64806281；
中圖分類號：
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
燃氣輪機廣泛應用于能源、電力和航空等領域，其輸出功率隨轉子入口燃氣溫度的提高而提高，但是溫度太高會導致葉片表面高溫腐蝕，并引起葉片熱應力，減少其壽命,所以需要對葉片進行有效冷卻，準確預估葉片的冷卻效果對設計起著重要作用.氣膜冷卻[1]是指通過在高溫部件表面開設槽縫或小孔，將冷卻介質(zhì)以橫向射流形式注入主流中，在主流的壓迫作用下，射流彎曲并覆蓋于高溫表面，形成低溫氣膜，從而對高溫部件起到隔熱和冷卻作用[2].
在眾多影響氣膜冷卻效率的因素中，孔形的影響最為顯著，近年來國內(nèi)外學者對孔形進行了大量的研究.李廣超等[3-4]對雙向擴張形孔射流的流動進行了研究，結果表明雙向擴張形孔不僅可以有效地提高射流對平板的氣膜冷卻效率，而且具有較小的流通阻力.單入雙出孔可以有效地改善孔內(nèi)流體流動，充分發(fā)揮次孔復合角射流的優(yōu)勢，大幅度提高冷卻效率.郭濤等[5]對雙排叉排簸箕形氣膜孔孔排下游的換熱進行了實驗研究，結果表明：雙排氣膜孔下游換熱有所增強，且分布更均勻.姚玉等[6]對縮放槽縫形孔進行了數(shù)值研究，結果表明：隨著吹風比的增大，縮放槽縫形孔的氣膜冷卻效率提高；在相同吹風比條件下，縮放槽縫形孔的氣膜冷卻效率較圓柱孔高，較縫型孔低.由國內(nèi)外學者所做的大量研究可知，反向對渦旋的存在是導致冷卻效率降低的首要因素，對渦旋起源于射流孔內(nèi)部，射流從冷卻孔射出后穿透主流層，并卷吸周圍高溫氣體，導致部分高溫氣體繞過冷卻射流直接與壁面接觸.Walters 等[7]提出3種減弱對渦旋的方法：(1) 削弱孔內(nèi)渦源的產(chǎn)生，如雙向擴張孔、縮放槽縫形孔、單入雙出孔和圓錐孔等；(2) 減小對渦旋與冷卻孔下游的垂直距離，使射流附壁性增強，如姊妹孔、水滴形孔、簸箕孔和扇形孔等；(3) 增大氣膜層的徑向寬度，如在圓柱孔出口處開槽縫或者在孔口上游安裝三角突起.
綜上可知，異型孔較傳統(tǒng)圓柱孔可以更有效地冷卻壁面，但是復雜的加工工藝使其實際應用有很大的局限性，縮放槽縫形孔冷卻效果較為理想，但至今為止只是應用于國外某固定機型.槽縫形孔可以使射流先在槽縫中橫向流動以減弱射流出口速度，提高氣膜層的徑向均勻性，但是其狹長的縫形結構使葉片剛度變?nèi)?，影響葉片壽命.因此，找到既可以大幅度提高冷卻效率又易于加工的孔形是當今一項重要的研究課題.筆者對以圓柱孔為基礎而衍生出的單入雙出孔和姊妹孔[8]進行了數(shù)值模擬，并與圓柱孔進行比較，對比分析3種孔形對平板冷卻效率的影響.
1物理模型和數(shù)值計算方法
1.1幾何模型
單入雙出孔和姊妹孔結構示意圖見圖1.單入雙出孔由1個主孔和1個次孔組成，主孔直徑D=12.7 mm，次孔直徑D0=0.9D，次孔中軸線與主孔中軸線交點距離射流入口1.5D.姊妹孔由中心線相互平行的1個主孔和2個次孔組成，主孔直徑D1=0.82D，次孔直徑D2=0.5D1.為了保證計算結果具有可比性，3種孔形在射流入口處具有相同的開孔率，即射流入口面積相同，保證3種情況下流入冷卻孔的射流質(zhì)量流量相同.射流入射角度均為35°[9]，單入雙出孔中次孔與主流平面夾角為65°，方位角為45°[10]，如圖1(d)所示.姊妹孔在出口平面上夾角采用30°，即次孔位于主孔中心線下游1.299D1位置處，各次孔圓心橫向方向距離中心線0.75D1，使主孔次孔中心連線與主流方向平板中軸線成30°夾角，如圖1(c)所示.
1.2流場區(qū)域和邊界條件
流場區(qū)域如圖2所示，主流入口底邊一側端點為坐標系原點，射流孔中心距離主流入口為5D，距離主流出口為30D，氣膜孔間距z方向為3D,冷卻孔長為5D，主流和射流入口邊界條件為速度入口，出口設定為壓力出口.壁面絕熱且無滑移，主流溫度T∞=353.15 K，射流溫度Tc=293.15 K，主流入口平均速度v∞=10 m/s，工質(zhì)均為空氣.
建立姊妹孔夾角為45°的模型[8]，即在出口平面上次孔位于主孔中心線下游0.75D1位置處，各次孔圓心橫向方向距離主流中心線0.75D1，使主孔次孔中心連線與主流方向平板中軸線成45°夾角.在與文獻[8]相同工況下計算得出孔后中心線冷卻效率，并與文獻[8]中數(shù)據(jù)進行對比(見圖3).由圖3可知，相同工況下模擬結果與文獻[8]中數(shù)據(jù)吻合較好，誤差不大，說明該模型準確.
(a) 單入雙出孔
(b) 姊妹孔
(c) 姊妹孔30°夾角
(d) 單入雙出孔示意圖
圖2 流場區(qū)域示意圖
圖3 模擬計算結果與文獻[8]中數(shù)據(jù)的對比
1.3數(shù)值計算方法和參數(shù)定義
采用Fluent 分離隱式求解器進行穩(wěn)態(tài)計算，湍流模型采用Realizablek-ε模型[11]，且加強壁面處理.壓力和速度的耦合采用Simple算法.各物理量的離散格式采用二階迎風格式.
吹風比定義為
(1)
式中：ρc和ρ∞分別為射流密度和主流密度；vc為射流入口平均速度.
取密度比為1，吹風比M取0.5、1.0、1.5和2.0，得到相應射流速度分別為5 m/s、10 m/s、15 m/s和20 m/s.定義氣膜冷卻效率為
(2)
式中：Taw為絕熱壁溫；T∞為主流溫度；Tc為射流溫度.
2結果與分析
2.1主流方向冷卻效率
圖4給出了3種孔形在吹風比M為0.5和1.0時平板氣膜冷卻效率云圖.冷卻效率是評判孔形優(yōu)劣性的最直接、最有力的標準之一.由圖4可知，各孔形沿主流方向冷卻效率逐漸降低，相同吹風比下單入雙出孔和姊妹孔較圓柱孔冷卻效率下降緩慢，到x/D=20處圓柱孔冷卻效率下降到0.2，單入雙出孔為0.3，姊妹孔為0.25，x/D=20以后姊妹孔和圓柱孔冷卻效果等同，劣于單入雙出孔.吹風比為1.0時，射流質(zhì)量流量增加，但是由圖4可以看出，吹風比變大后冷卻效率等值線圖分布沒有變密反而變得稀疏.這主要是由于射流動量變大，射流射出冷卻孔后穿透力增大，且在冷卻孔內(nèi)部由于速度差產(chǎn)生反向對渦旋，射流射出冷卻孔后反向對渦旋得到進一步發(fā)展，卷吸周圍高溫氣體，高溫氣體流入氣膜層底，產(chǎn)生使氣膜層脫離壁面的附加升力，最終導致射流中心遠離壁面，在近孔區(qū)域冷卻效果比低吹風比時欠佳.
(a) 圓柱孔 M=0.5
(b) 圓柱孔 M=1.0
(c) 單入雙出孔 M=0.5
(d) 單入雙出孔 M=1.0
(e) 姊妹孔 M=0.5
(f) 姊妹孔 M=1.0
圖5給出了不同吹風比下3種孔形孔后中心線冷卻效率的變化曲線.由圖5可知，x/D<7.5時，η圓柱孔<η姊妹孔<η單入雙出孔，這是由于單入雙出孔中次孔的特殊位置起到了分流作用，在孔內(nèi)抑制反向對渦旋的生成，在孔外次孔產(chǎn)生的渦流結構和主孔渦流結構相互作用，減小了射流附加升力，且次孔具有復合角度的優(yōu)勢，使單入雙出孔在同等射流質(zhì)量流量的情況下出口動量小，射流穿透力小.姊妹孔由2種直徑不一的圓柱孔組成，在射流射出冷卻孔時也具有與圓柱孔相同的缺點，會先穿透主流，隨后又在主流的沖擊壓力作用下向下游彎曲逐步貼近壁面，所以在2個次孔射流未來得及與主孔射流相互作用之前，其冷卻效果劣于單入雙出孔，但是由于2個次孔的分流作用，其橫向均勻性比圓柱孔好.當7.5
(a) M=0.5
(b) M=1.0
(c) M=1.5
(d) M=2.0
2.2橫向冷卻效率
圖6給出了吹風比M=1.0時3種孔形橫向冷卻效率分布曲線.由圖6(a)可知，在1.0 2.3流場分析 圖7為吹風比M=1.0時3種孔形不同x/D截面處的渦量圖.由圖7(a)可以看出，在圓柱孔近孔區(qū)域由于射流中心速度大，速度向兩側逐漸衰減[12]，形成反向對渦旋，卷吸周圍高溫氣體，主流與射流摻混程度變大，最大渦量達到2.4，且高渦量范圍較大，隨著x/D的增大，射流中心逐漸被抬離壁面主流,繞過射流直接與壁面接觸，產(chǎn)生附加升力，到x/D=10時射流中心已經(jīng)完全與壁面脫離，冷卻效果不理想.由圖7(b)可以看出，單入雙出孔在x/D=7時最大渦量為1.8，且隨著x/D變大，渦量變小，冷卻氣膜層到x/D=10時依舊很好地貼附于壁面，最大渦量為1，但是由于主次孔射流橫向速度差，氣膜層向一側偏移.由圖7(b)和圖7(c)可以看出，姊妹孔雖然在近孔區(qū)域最高渦量為2.4，比單入雙出孔高，但是隨著次孔射流與孔射流相遇之后，2個次孔產(chǎn)生的渦旋結構像液體阻礙一樣阻斷了主流與冷卻射流的摻混，破壞反向對渦旋.主孔渦心在x/D=8處被2個次孔渦心雙向拉拽，抑制主孔射流抬離壁面，氣膜層很好地貼附于壁面，在x/D=10處，氣膜層橫向均勻性良好，冷卻效率由平板中軸線向兩側遞減. (a) M=1.0 ， x/ D=7 (b) M=1.0， x/ D=10 2.4加工工藝分析 從加工工藝方面分析，單入雙出孔和姊妹孔都是在傳統(tǒng)圓柱孔的基礎上衍生出來的，依據(jù)就是圓柱孔易于加工，可廣泛應用于實際生產(chǎn)中.但是單入 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 雙出孔在主孔與次孔交接處會出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，必須通過流沙技術對交接處進行光滑處理，避免在葉片中產(chǎn)生不利的力學性能[10].姊妹孔是三孔聯(lián)合射流孔，由1個主孔和2個次孔組成，加工工藝比單入雙出孔更簡單方便，實現(xiàn)了在降低加工費用的基礎上大幅度提高冷卻效率，但是需要指出的是，三孔聯(lián)射的特殊結構需要考慮葉片強度的問題. 3結論 (1) 相同吹風比下主流方向單入雙出孔和姊妹孔的氣膜冷卻效率明顯高于圓柱孔，且冷卻效率下降緩慢. (2) 平板橫向，近孔區(qū)域姊妹孔氣膜層分布均勻，冷卻效果較好，且隨著吹風比的增大，優(yōu)勢更加明顯，遠離孔的區(qū)域，單入雙出孔由于橫向主孔與次孔射流的速度差引起氣膜層偏移，導致平板一側冷卻效果很好，另一側冷卻效果欠佳. (3) 單入雙出孔和姊妹孔都是由圓柱孔衍生而來的，可廣泛應用于實際生產(chǎn)中，對于前者，要考慮主次孔交接處的應力集中現(xiàn)象. 參考文獻： [1]張玲，胡博，董海瑞.入射角度對氣膜冷卻效率影響的數(shù)值研究[J].動力工程學報，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]葛紹巖，徐靖中．氣膜冷卻[M]．北京：科學出版社，1985． [3]李廣超，朱惠人，樊慧明.雙向擴張型孔射流角度對氣膜冷卻特性影響的實驗[J].航空動力學報，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]李廣超，張魏，項松，等．雙出口氣膜孔冷卻效率數(shù)值模擬[J]．航空動力學報，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]郭濤，朱惠人，許都純.雙排簸箕形氣膜孔下游換熱研究[J]. 航空動力學報，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，張靖周，周楠.Console 形氣膜孔改善冷卻效率的數(shù)值研究[J].航空動力學報，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]李廣超，吳東，張巍，等.次孔方位角對單入口-雙出口孔射流氣膜冷卻效率影響[J].航空動力學報，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]吳海玲，陳聽寬，羅毓珊．應用不同紊流模型的二維橫向射流傳熱數(shù)值模擬研究[J]．西安交通大學學報，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，劉建紅，李少華，等.氣膜冷卻流場的大渦模擬[J].中國電機工程學報，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.
