張 玲 修棟波 汪山入

(1. 東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院；2. 沈陽(yáng)熱力工程設(shè)計(jì)研究院)

化工燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)葉全表面氣膜冷卻影響的數(shù)值模擬*

張 玲1修棟波1汪山入2

(1. 東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院；2. 沈陽(yáng)熱力工程設(shè)計(jì)研究院)

對(duì)非定常環(huán)境下燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)葉全表面氣膜冷卻流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程紊流模型和SIMPLE算法，用直徑6mm的圓柱模擬靜葉，使圓柱產(chǎn)生尾跡，研究不同吹風(fēng)比時(shí)尾跡對(duì)下游動(dòng)葉全表面冷卻效率和傳熱特性的影響。結(jié)果表明：圓柱尾跡產(chǎn)生漩渦，漩渦會(huì)導(dǎo)致熵增，使動(dòng)葉全表面能量有損失。吹風(fēng)比M=0.5時(shí)，射流孔處冷卻效果較好，動(dòng)葉整個(gè)表面冷卻效率較低，表面?zhèn)鳠嵋草^差；吹風(fēng)比M=1.5時(shí)，射流孔處冷卻效率降低，而整個(gè)表面冷卻效率增加，傳熱增強(qiáng)。

燃?xì)廨啓C(jī) 動(dòng)葉全表面 氣膜冷卻 非定常尾跡 傳熱

燃?xì)廨啓C(jī)在航空、陸用發(fā)電和各種工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，不僅在自備電站(或動(dòng)力站)與原有發(fā)電設(shè)備組成聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，提高供電效率，而且在大型化纖廠、磷肥廠及電石廠等石油化工企業(yè)中也有應(yīng)用。燃?xì)廨啓C(jī)可作為直接拖動(dòng)壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)，也可以作為各種泵的驅(qū)動(dòng)機(jī)[1]。我國(guó)輕型燃?xì)廨啓C(jī)工業(yè)主要集中在航空系統(tǒng)，20世紀(jì)70年代開(kāi)始，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上改型生產(chǎn)了WJ-5G、WJ-6G、WP-6G及WZ-6G等工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)，用于油田、石化及郵電等部門(mén)[2]。另外一方面，燃?xì)廨啓C(jī)熱效率與功率都與渦輪進(jìn)口溫度有關(guān)，隨著渦輪前燃?xì)鉁囟鹊牟粩嗵岣?渦輪葉片表面的冷卻問(wèn)題越來(lái)越重要[3]。Nirmalan N V和Hylton L D在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作狀態(tài)下研究了馬赫數(shù)、雷諾數(shù)及湍流度等主要因素對(duì)帶有多排射流孔的渦輪導(dǎo)葉表面換熱系數(shù)的影響[4]。袁鋒等對(duì)帶有氣膜冷卻的渦輪葉片進(jìn)行三維數(shù)值模擬，研究旋轉(zhuǎn)、吹風(fēng)比和冷氣噴射角度對(duì)葉片表面絕熱冷卻效率的影響[5]。周莉等研究了非定常尾跡寬度和輸運(yùn)條件對(duì)動(dòng)葉氣膜冷卻效率的影響,冷卻氣流被帶到壓力面下游，沿葉展方向覆蓋范圍更廣，尾跡對(duì)壓力面的影響比吸力面的大一些[6～8]。Ekkad S V等在不同密度比下研究了非定常尾跡對(duì)動(dòng)葉氣膜冷卻效果的影響，并分析了非定常尾跡產(chǎn)生的湍流度對(duì)動(dòng)葉的冷卻效率和傳熱系數(shù)的影響[9，10]。孟慶昆等分析了質(zhì)量流量比對(duì)全氣膜冷卻葉片冷卻特性的影響，由此得到不同流量比下渦輪靜葉表面氣膜冷卻效率的分布趨勢(shì)和隨著質(zhì)量流量比的提高不同區(qū)域冷卻效率的覆蓋情況[11]。白江濤等測(cè)量了帶射流孔導(dǎo)葉葉片全表面的換熱系數(shù)和冷卻效率，獲得了換熱系數(shù)和冷卻效率分布圖，分析了葉片前緣滯止流動(dòng)、葉柵通道渦等因素對(duì)葉片表面換熱系數(shù)和冷卻效率的影響[12]。

近年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境的重視，燃?xì)廨啓C(jī)的應(yīng)用前景也越來(lái)越廣闊，因此研究燃?xì)廨啓C(jī)及其尾跡的影響對(duì)葉輪機(jī)械有著重要作用。燃?xì)廨啓C(jī)的葉柵內(nèi)部存在較強(qiáng)的尾跡，尾跡影響下游的傳熱等特性，而且也會(huì)造成葉柵內(nèi)部的能量損失。筆者運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程紊流模型，通過(guò)圓柱模擬靜葉產(chǎn)生尾跡，研究燃?xì)廨啓C(jī)尾跡對(duì)下游動(dòng)葉全表面冷卻效率和傳熱特性的影響。

1 模型和數(shù)值計(jì)算方法

1.1模型及網(wǎng)格劃分

文中的計(jì)算區(qū)域包括圓柱和動(dòng)葉柵兩部分。動(dòng)葉片表面開(kāi)有5排射流孔，其中壓力面三排孔，吸力面兩排孔，射流孔直徑2mm，孔間距10mm，打孔位置參考文獻(xiàn)[13]中的實(shí)驗(yàn)。動(dòng)葉射流孔基本參數(shù)見(jiàn)表1，表中S/C為孔中心到前緣駐點(diǎn)弧長(zhǎng)與弦長(zhǎng)之比；L/d為射流孔孔長(zhǎng)與孔徑比；S1/d為孔沿葉高方向的間距與孔徑之比；α為射流孔中心線與葉片表面的夾角。筆者參考的實(shí)驗(yàn)是利用鏈條式尾跡發(fā)生器在平面葉柵實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行的，鏈條式尾跡發(fā)生器主要用于研究單個(gè)尾跡對(duì)氣膜冷卻效率的影響。參照文獻(xiàn)[13]平面葉柵實(shí)驗(yàn)建立物理模型，動(dòng)葉模型前放置直徑d=6mm的圓柱產(chǎn)生尾跡來(lái)模擬靜葉尾跡寬度，圓柱距下游動(dòng)葉滯止點(diǎn)距離為40%的弦長(zhǎng)。物理模型如圖1所示。

表1 射流孔基本參數(shù)

圖1 葉片物理模型

根據(jù)計(jì)算模型的特點(diǎn)，如果對(duì)整級(jí)葉柵進(jìn)行網(wǎng)格劃分，則網(wǎng)格結(jié)構(gòu)將比較復(fù)雜、網(wǎng)格密集、數(shù)量太大，難以進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。為了解決這個(gè)問(wèn)題，筆者使用周期性邊界條件，動(dòng)靜葉交界面采用滑移網(wǎng)格技術(shù)。模型的兩個(gè)曲面把葉柵通道分割成3個(gè)獨(dú)立的部分(射流圓柱體區(qū)域、近葉片區(qū)域、遠(yuǎn)葉片區(qū)域)，然后對(duì)射流圓柱體區(qū)域、遠(yuǎn)葉片區(qū)域采用六面體網(wǎng)格、近葉片區(qū)域采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，并且一部分區(qū)域進(jìn)行局部加密，即葉片型面和射流孔的周?chē)鷧^(qū)域。動(dòng)葉網(wǎng)格示意圖如圖2所示。

圖2 動(dòng)葉網(wǎng)格示意圖

1.2數(shù)值計(jì)算方法和邊界條件

筆者采用的是二階迎風(fēng)格式、壁面為Standard的k-ε模型，利用SIMPLE算法對(duì)流體壓力-速度耦合關(guān)系進(jìn)行計(jì)算。設(shè)置周期性邊界條件，使用滑移面對(duì)動(dòng)靜交界進(jìn)行處理，而其他的壁面則將采用無(wú)滑移邊界處理。

定義射流入口速度、出口壓力為邊界條件，動(dòng)靜交界面出口為壓力出口邊界。葉片壁面采用無(wú)滑移絕熱邊界條件，近壁面區(qū)采用加強(qiáng)壁面函數(shù)的方法，主流入口溫度為373K，射流入口溫度為293K，圓柱速度10m/s，主流雷諾數(shù)為112 272.27。不同工況下的入口邊界條件見(jiàn)表2。

表2 不同工況下的入口邊界條件

筆者采用氣膜的冷卻效率來(lái)描述葉片壁面溫度場(chǎng)。定義氣膜的絕熱冷卻效率η=(taw-t∞)/(tj-t∞)，其中taw是無(wú)限接近壁面的流體溫度，代表動(dòng)葉片表面的壁溫，t∞代表主流的入口溫度，tj代表射流的入口溫度。壁面設(shè)定為絕熱壁面，流體與壁面間無(wú)熱傳導(dǎo)。

熵是在熱力學(xué)第二定律的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出的狀態(tài)參數(shù)，其定義為dS=dQ/T，單位為J/K，其中dQ為換熱量，T為熱源溫度，正負(fù)號(hào)代表?yè)Q熱方向。

在研究葉片傳熱時(shí)，以努塞爾數(shù)Nu來(lái)反映對(duì)流傳熱的強(qiáng)弱，它是一個(gè)無(wú)量綱準(zhǔn)則數(shù)，物理意義是葉片表面的無(wú)量綱梯度，其表達(dá)式為：Nu=Kl/λ，其中，K是傳熱系數(shù)；l是特征長(zhǎng)度；λ為流體熱導(dǎo)率。

2 結(jié)果的分析和討論

2.1動(dòng)葉全表面冷卻效率的研究

圖3顯示了圓柱直徑為6mm、吹風(fēng)比M分別為0.5、1.5時(shí)，非定常尾跡輸運(yùn)到動(dòng)葉全表面時(shí)冷卻效率的分布。從圖中可以看出，對(duì)壓力面而言，M=0.5時(shí)射流孔上游氣膜覆蓋范圍較好，第一排孔冷卻效率達(dá)0.05，而前緣處冷卻效率達(dá)0.35；由于第二排孔射流在尾跡影響下形成低速渦向下游流去，使中間兩排孔前的冷卻效率低于第三排孔前的冷卻效率，射流孔的效率只有0.05，射流孔周?chē)鋮s效率都在降低，達(dá)0.25；對(duì)于第三排射流孔來(lái)說(shuō)，此時(shí)受圓柱尾跡影響較小，冷卻效率較大，達(dá)0.70；吸力面在射流孔的冷卻效率達(dá)0.70后，冷氣流向下游游動(dòng)，下游氣膜覆蓋更廣，最小達(dá)0.05，因?yàn)槔錃饬髋c主流摻混，冷氣流被帶到下游更廣的區(qū)域，導(dǎo)致冷卻氣流沿全表面覆蓋范圍更廣，使發(fā)生這個(gè)區(qū)域的氣膜冷卻效果更好。當(dāng)M=1.5時(shí)，射流孔的冷卻效率都在降低，對(duì)壓力面而言，第一排和第二排射流孔的冷卻效率維持在0.05，壓力面在整個(gè)范圍內(nèi)覆蓋較廣，第二排和第三排射流孔周?chē)_(dá)0.30，整個(gè)表面冷卻效率達(dá)0.20左右，而吸力面在射流孔下游覆蓋增強(qiáng)，射流孔周?chē)鋮s效率在增加。因此，不同吹風(fēng)比下動(dòng)葉全表面冷卻效率有較大的差異?？傮w來(lái)看，無(wú)論是壓力面還是吸力面，冷卻氣流都有明顯的上揚(yáng)，隨著吹風(fēng)比的增大，當(dāng)尾跡輸運(yùn)到動(dòng)葉表面射流孔附近時(shí)，靠近射流孔葉片區(qū)域的冷卻效果明顯降低，說(shuō)明在這個(gè)區(qū)域更多的冷氣與主流發(fā)生摻混，導(dǎo)致形成冷卻氣膜層的冷氣量減少，從而使冷卻效果降低。而對(duì)于整個(gè)表面由于氣膜覆蓋范圍更廣，使冷卻效率增大。

圖3 動(dòng)葉全表面冷卻效率分布

圖4顯示了在尾跡影響下動(dòng)葉表面前緣孔冷卻效率分布云圖。當(dāng)M=0.5時(shí)，前緣孔冷卻效率達(dá)0.80，射流孔周?chē)鋮s效率達(dá)0.10，冷氣流向射流孔上游方向流動(dòng)；當(dāng)M=1.5時(shí)，前緣孔周?chē)鋮s效率最低達(dá)0.20，冷氣流向射流孔上游覆蓋范圍更廣，使射流孔上游冷卻效率增大，因此，隨著吹風(fēng)比的增大，冷卻射流和主流之間的相互作用加強(qiáng)，冷氣流覆蓋范圍更廣，前緣孔處冷卻效率降低，冷卻氣流穿過(guò)尾跡后在射流孔下游處流動(dòng)趨于正常，而使前緣孔附近下游處冷卻效率增大。通過(guò)比較尾跡對(duì)全表面冷卻效率的影響可以發(fā)現(xiàn)，尾跡使射流孔處局部冷卻效率降低，使整個(gè)表面處冷卻效率增大，而壓力面冷卻效果好于吸力面。

圖4 動(dòng)葉表面前緣孔冷卻效率

2.2動(dòng)葉全表面周?chē)鲌?chǎng)的研究

由于漩渦的運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生熵增，從流場(chǎng)熵的瞬時(shí)分布可以看出漩渦特性，并可以清楚地看到非定常流場(chǎng)的發(fā)展、漩渦結(jié)構(gòu)、氣流的分離和渦的生成、脫落過(guò)程。

圖5為圓柱直徑為6mm、吹風(fēng)比M分別為0.5、1.5時(shí)，非定常尾跡輸運(yùn)到動(dòng)葉全表面時(shí)熵的分布。當(dāng)M=0.5時(shí)，對(duì)于壓力面而言，射流孔上游損失較大，第一排至第三排射流孔周邊最大熵分別為210、200、150J/K，而第三排射流孔后至整個(gè)表面熵達(dá)240J/K，對(duì)于吸力面而言，下游損失較大，熵達(dá)260J/K。當(dāng)M=1.5時(shí)，第一排至第三排射流孔周邊最大熵分別為230、180、190J/K，而第三排射流孔后至整個(gè)表面的熵達(dá)220J/K，吸力面熵達(dá)250J/K。由圖5可以看出，當(dāng)尾跡渦發(fā)生脫落時(shí)，它會(huì)與周?chē)黧w發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用。隨著吹風(fēng)比的增大，無(wú)論是壓力面還是吸力面都形成高壓區(qū)，高壓區(qū)的存在會(huì)導(dǎo)致集中渦的產(chǎn)生，另一方面由于劇烈的擾動(dòng)使能量損失增大，從而使熵增大。壓力面前緣強(qiáng)逆壓力梯度的存在和動(dòng)葉的切割作用使得壓力面前緣產(chǎn)生擾流分離，冷氣流被帶到下游更廣的區(qū)域，導(dǎo)致冷氣流沿全表面覆蓋范圍更廣，尾跡分離導(dǎo)致熵減，能量損失也減小。當(dāng)M=0.5時(shí)，射流動(dòng)量較小，動(dòng)葉表面的熵增較大，能量損失較大；當(dāng)M=1.5時(shí)，動(dòng)葉表面周?chē)刂抵饾u減小，這是因?yàn)樯淞鲃?dòng)量較大，射流對(duì)動(dòng)葉表面保護(hù)作用增強(qiáng)，使得尾跡渦對(duì)動(dòng)葉邊界層的擾動(dòng)減小。

圖5 動(dòng)葉表面的熵分布

圖6為不同吹風(fēng)比工況下非定常尾跡輸運(yùn)到動(dòng)葉全表面射流孔附近的熵分布。當(dāng)M=0.5時(shí)，射流孔最小熵為60J/K，壓力面沿射流孔上游方向最大熵240J/K，而吸力面沿射流孔下游方向最小熵為60J/K，最大為240J/K。當(dāng)M=1.5時(shí)，對(duì)壓力面而言，射流孔附近熵較大，而最大和最小熵基本不變，沿上游方向造成能量損失增大；對(duì)吸力面而言，最小熵為100J/K，最大熵為240J/K，吸力面射流孔下游附近熵變大，因此造成損失也較大。從圖可以看出無(wú)論是壓力面還是吸力面，尾跡輸運(yùn)到射流孔附近時(shí)，冷卻射流和主流相互作用增強(qiáng)，摻混劇烈，造成了較大的損失。

圖6 動(dòng)葉表面射流孔附近的熵分布

2.3尾跡對(duì)動(dòng)葉全表面?zhèn)鳠岬挠绊?/p>

圖7顯示了圓柱直徑為6mm、吹風(fēng)比M分別為0.5、1.5時(shí)，非定常尾跡輸運(yùn)到動(dòng)葉全表面時(shí)努塞爾數(shù)分布。

當(dāng)M=0.5時(shí)，對(duì)壓力面而言，最大努塞爾數(shù)出現(xiàn)在第一排射流孔附近；孔后努塞爾數(shù)逐漸減弱，到達(dá)第二排射流孔附近時(shí)，射流在尾跡影響下形成低速渦向下游流去，使第二排孔前努塞爾數(shù)低于其余兩排，達(dá)1 500；三排射流孔之間由于受尾跡的影響，冷氣流脫離壁面，努塞爾數(shù)降低，達(dá)2 500；第三排過(guò)后，受尾跡影響較小，努塞爾數(shù)增大，達(dá)2 000。對(duì)吸力面而言，射流孔前處努塞爾數(shù)最大，達(dá)8 000，以此向下游流動(dòng)，努塞爾數(shù)達(dá)2 000，表面其余處不受射流的影響，努塞爾數(shù)達(dá)1 000。當(dāng)M=1.5時(shí)，壓力面射流由于動(dòng)量增加而垂直入射與主流參混，形成低速回流區(qū)對(duì)壁面?zhèn)鳠岬臄_動(dòng)，很少有射流直接覆蓋在壁面上?？梢钥闯?，隨著吹風(fēng)比的增加，兩排射流孔間的努塞爾數(shù)減小，為1 500。第三排射流孔向上游形成低速渦，大部分射流脫離壁面，因此第三排射流孔附近努塞爾數(shù)降低至2 000，而冷卻氣流在下游壁面重新附著，對(duì)壁面加強(qiáng)擾動(dòng)、強(qiáng)化傳熱，努塞爾數(shù)升高至3 000。對(duì)吸力面而言，射流孔附近努塞爾數(shù)為8 000，而整個(gè)表面努塞爾數(shù)增強(qiáng)，射流孔下游努塞爾數(shù)達(dá)到3 500，表面其余處努塞爾數(shù)為1 500。

圖7 動(dòng)葉全表面努塞爾數(shù)的分布

圖8為不同吹風(fēng)比工況下非定常尾跡輸運(yùn)到動(dòng)葉全表面射流孔附近時(shí)努塞爾數(shù)分布圖。當(dāng)M=0.5時(shí)，射流孔最小努塞爾數(shù)為500，壓力面沿射流孔上游受尾跡的影響，努塞爾數(shù)最大為8 000，而吸力面沿射流孔下游方向運(yùn)動(dòng)，最大努塞爾數(shù)為8 000，射流孔附近傳熱較好；當(dāng)M=1.5時(shí)，對(duì)壓力面而言，射流孔附近努塞爾數(shù)降低，最大達(dá)6 000，沿上游方向受尾跡的影響，導(dǎo)致努塞爾數(shù)降低，最低達(dá)1 500；對(duì)于吸力面而言，最小努塞爾數(shù)為1 500，最大努塞爾數(shù)為8 000，吸力面沿射流孔下游附近努塞爾數(shù)變小，因此造成傳熱量也較小。從圖可以看出，無(wú)論是壓力面還是吸力面，尾跡輸運(yùn)到射流孔附近時(shí)，冷卻射流和主流相互作用增強(qiáng)，摻混劇烈，傳熱效果較好。

圖8 動(dòng)葉表面射流孔附近的努塞爾數(shù)分布

3 結(jié)論

3.1整個(gè)動(dòng)葉表面冷卻氣流都有明顯的上揚(yáng)，當(dāng)M=0.5時(shí)，壓力面沿射流孔上游、吸力面沿射流孔下游冷卻效率較好。隨著吹風(fēng)比增大，當(dāng)尾跡輸運(yùn)到動(dòng)葉表面射流孔附近時(shí)，靠近射流孔葉片區(qū)域冷卻效果明顯降低，說(shuō)明在這個(gè)區(qū)域更多的冷卻射流與主流發(fā)生摻混，導(dǎo)致形成冷卻氣膜層的冷氣量減少，從而使冷卻效果降低。而對(duì)整個(gè)表面來(lái)說(shuō)，由于氣膜覆蓋范圍更廣，使冷卻效率增大。

3.2漩渦的運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生熵增，當(dāng)M=0.5時(shí)射流孔上游熵增較大，能量損失增多。隨著吹風(fēng)比的增加，各射流孔之間熵增增大，吸力面沿下游損失也增大，整個(gè)表面損失增加。尾跡輸運(yùn)到葉片表面射流孔附近時(shí)，冷卻射流和主流相互作用增強(qiáng)，摻混劇烈，熵?fù)p失較大。

3.3吸力面的努塞爾數(shù)高于壓力面的。因?yàn)槲槽E對(duì)吸力面負(fù)壓力梯度的影響使吸力面邊界層提前向湍流轉(zhuǎn)變，造成傳熱情況異常。吹風(fēng)比的增大使整個(gè)表面?zhèn)鳠嵩鰪?qiáng)，壓力面第三排射流孔后出現(xiàn)高傳熱區(qū)，葉片溫度上升。動(dòng)葉表面射流由于動(dòng)量增加而垂直入射與主流摻混，形成低速回流區(qū)對(duì)壁面?zhèn)鳠徇M(jìn)行擾動(dòng)，使射流孔處傳熱能力增強(qiáng)。

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NumericalSimulationofUnsteadyWakes’EffectonFilmCoolingofRotorBladeSurface

ZHANG Ling1, XIU Dong-bo1, WANG Shan-ru2
(1.CollegeofEnergyandPowerEngineering,NortheastDianliUniversity,Jilin132012,China; 2.ShenyangThermalEngineeringDesignandResearchInstitute,Shenyang110014,China)

The surface film cooling field of the turbine blade in unsteady environment was simulated. Through making use of standardk-εtwo equations turbulence model and SIMPLE algorithm and employing 6mm-column(d )to simulate static blades so as to generate unsteady wakes, the unsteady wake’s effect at different blowing ratio on the rotor blade ’s cooling efficiency and heat-transfer characteristic was investigated to show that, the column’s wake leads to vortex which can lead to entropy production and bring energy loss to the rotor blade surface; when blowing ratioMstays at 0.5, the cooling effect at the cooling holes becomes better and the cooling efficiency on the rotor blade surface drops along with a poor surface heat transmission; when blowing ratioMis 1.5, cooling efficiency at cooling holes becomes decreased but that on rotor blade surface gets enhanced, including the heat transmission.

combustion gas turbine, rotor blade surface, film-cooling, unsteady wakes, heat transfer

* 吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(20130101046JC)。

** 張 玲，女，1970年1月生，教授。吉林省吉林市，132012。

TQ051.5

A

0254-6094(2016)02-0186-08

2015-04-02，

2016-03-18)

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