徐柯文,何坤,晏鑫

(西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,710049,西安)

現(xiàn)代燃?xì)馔钙絼?dòng)葉葉頂區(qū)域由于存在復(fù)雜的泄漏流和二次流結(jié)構(gòu),因此熱負(fù)荷較高。相對于平葉頂,凹槽葉頂結(jié)構(gòu)具有良好的氣熱性能,在現(xiàn)代燃?xì)馔钙饺~片中應(yīng)用廣泛[1]。為降低凹槽葉頂?shù)臒嶝?fù)荷,采用有效的氣膜冷卻技術(shù)是確保燃?xì)馔钙桨踩行н\(yùn)行的關(guān)鍵途徑[2]。

目前已有較多的研究者開展了凹槽葉頂?shù)睦鋮s傳熱性能研究,通過對葉頂幾何結(jié)構(gòu)、氣膜孔布置和形狀以及射流條件的改進(jìn),提升葉頂區(qū)域的氣熱性能。于金杏等[3]采用數(shù)值方法研究了氣膜孔形狀對凹槽葉頂氣膜冷卻性能的影響,研究發(fā)現(xiàn),將壓力面?zhèn)葓A孔更換為擴(kuò)張孔后,使葉頂壓力面?zhèn)葰饽だ鋮s效率增大了43.3%;此外,于金杏等[4]研究了葉頂和壓力面?zhèn)葰饽た自诖碉L(fēng)比為2.0條件下相比于單排氣膜孔葉頂,凹槽肩壁處平均傳熱系數(shù)下降了13.89%,平均氣膜冷卻效率上升了61.45%。Cheng等[5]通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值方法對葉頂氣膜孔位置分布進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)改變氣膜孔的位置可以有效改善葉頂尾緣處的氣膜冷卻性能。黃琰等[6]采用數(shù)值方法求解了不同葉頂間隙下的凹槽葉頂?shù)臍饽だ鋮s性能,發(fā)現(xiàn)增大葉頂間隙會(huì)導(dǎo)致凹槽底部近壓力面?zhèn)群臀簿壧帤饽だ鋮s性能變差。Jeong等[7]采用瞬態(tài)傳熱技術(shù)測量了葉頂局部傳熱系數(shù),發(fā)現(xiàn)葉頂形狀對葉頂傳熱系數(shù)影響劇烈,吸力側(cè)尾緣越長,葉頂傳熱系數(shù)越低。吳琛琦等[8]采用數(shù)值方法計(jì)算了發(fā)動(dòng)機(jī)工況下帶不同壓力側(cè)小翼結(jié)構(gòu)的凹槽葉頂冷卻傳熱性能,發(fā)現(xiàn)帶圓角扭曲型小翼相比于傳統(tǒng)凹槽葉頂平均傳熱系數(shù)下降了16.45%。Wang等[9]利用數(shù)值模擬方法研究了旋轉(zhuǎn)工況下不同葉頂結(jié)構(gòu)下凹槽葉頂吸力側(cè)氣膜冷卻性能,結(jié)果表明,吸力側(cè)氣膜冷卻性能主要受葉頂泄漏渦和通道渦的影響。

隨著等離子體流動(dòng)控制技術(shù)的進(jìn)步,采用等離子體激勵(lì)增強(qiáng)壁面氣膜冷卻性能的方法日益受到燃?xì)馔钙窖芯空叩那嗖A。早期等離子體流動(dòng)控制技術(shù)廣泛應(yīng)用于翼型流動(dòng)分離控制[10]和邊界層減阻[11]等領(lǐng)域。Shyy等[12]提出了關(guān)于介質(zhì)阻擋放電(dielectric barrier discharge, DBD)等離子體線性化電動(dòng)體積力的模型,并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)兩者吻合良好。Sujar-Garrido等[13]采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值方法研究了Suzen等[14]所提出的等離子體激勵(lì)SHM模型,在此模型基礎(chǔ)上提出了考慮等離子體激勵(lì)裝置功率的改進(jìn)模型。黃悅峰等[15-16]研究了單介質(zhì)阻擋放電等離子體激勵(lì)和介質(zhì)阻擋放電渦發(fā)生器等離子體激勵(lì)對平板氣膜冷卻性能的影響,結(jié)果表明,等離子體激勵(lì)能有效提高平板氣膜冷卻效率,單介質(zhì)阻擋放電等離子體激勵(lì)強(qiáng)度為100時(shí),中心線氣膜冷卻效率極值相比于無激勵(lì)時(shí)提高了105%;介質(zhì)阻擋放電渦發(fā)生器等離子體激勵(lì)強(qiáng)度為40時(shí),中心線氣膜冷卻效率極值相比于無激勵(lì)時(shí)提高了60%。近年來,等離子體流動(dòng)控制技術(shù)逐漸應(yīng)用于燃?xì)馔钙饺~片中,以提升壁面的氣膜冷卻性能。Kumar和Singh[17]采用數(shù)值方法研究了等離子體流動(dòng)控制技術(shù)對渦輪氣膜冷卻性能的影響,發(fā)現(xiàn)渦輪進(jìn)口溫度為 1 900 K時(shí),應(yīng)用等離子體激勵(lì)技術(shù)使氣膜冷卻效率提高了0.5%。Douville等[18]采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值相結(jié)合的方法研究了等離子體激勵(lì)對葉頂總壓損失的影響,結(jié)果表明,等離子體激勵(lì)控制流動(dòng)的效果很大程度上取決于外加電壓的頻率,而施加等離子體激勵(lì)對葉柵通道中的總壓損失幾乎沒有影響。

目前,對于等離子體流動(dòng)控制研究主要集中于邊界層減阻和分離控制方面。在等離子體激勵(lì)控制氣膜冷卻方面,研究者主要針對簡單的平板氣膜冷卻流動(dòng)控制開展研究[19-22]。僅有較少的研究者針對葉頂區(qū)域復(fù)雜的流動(dòng)進(jìn)行控制[17]。整體而言,目前針對等離子體激勵(lì)下的凹槽葉頂冷熱氣流作用機(jī)理掌握得尚不清晰,對影響凹槽葉頂冷卻性能的激勵(lì)因素認(rèn)識(shí)并不完善。因此,本文將等離子體激勵(lì)應(yīng)用于凹槽葉頂,用以提升凹槽底部的氣膜冷卻性能,研究不同激勵(lì)參數(shù)條件下等離子體激勵(lì)對凹槽葉頂氣膜冷卻性能的影響規(guī)律,在此基礎(chǔ)上探索改善凹槽底部冷卻氣膜覆蓋的非均勻等離子體控制方法。

1 數(shù)值計(jì)算方法

1.1 計(jì)算模型與邊界條件

本文采用的葉片模型來源于GE-E3航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓透平的第一級動(dòng)葉葉片[23]。針對該葉片,Kwak和Han[24]開展了大量的實(shí)驗(yàn)研究,因此本文的計(jì)算條件與實(shí)驗(yàn)條件保持一致;實(shí)驗(yàn)葉片型線相對于原始葉片放大了3倍,計(jì)算模型的幾何參數(shù)見表1。圖1給出了GE-E3葉片凹槽葉頂計(jì)算模型。由于流動(dòng)的周期性,流道兩側(cè)設(shè)置為平移周期性邊界條件,進(jìn)出口均為壓力邊界,氣膜孔沿流向分別命名為H1～H13。

表1 計(jì)算模型的幾何參數(shù)

圖1 GE-E3葉片凹槽葉頂計(jì)算模型Fig.1 Computational model of GE-E3 blade squealer tip

設(shè)置等離子體激勵(lì)作用的位置如圖2所示。將作用于H1、H2氣膜孔后等離子體激勵(lì)裝置的中心點(diǎn)A與H1和H2兩氣膜孔連線中點(diǎn)取相同Z軸坐標(biāo)值,H3～H11氣膜孔等離子體激勵(lì)裝置中心位置Z軸坐標(biāo)值與各氣膜孔中心點(diǎn)Z軸坐標(biāo)相同。由于不施加等離子體激勵(lì)時(shí),H12、H13氣膜孔附近的氣膜冷卻性能已經(jīng)足夠良好,因此本文不再在其附近設(shè)置等離子體激勵(lì)。

圖2 等離子體激勵(lì)作用位置Fig.2 Position of plasma actuation

采用ANSYS Workbench Meshing生成四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,圖3給出了無激勵(lì)工況下的葉片數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格。在劃分網(wǎng)格時(shí)為了保證網(wǎng)格質(zhì)量,將最大網(wǎng)格體積設(shè)置為1.2 mm。為了滿足湍流模型和氣膜冷卻效率計(jì)算精度要求,對近壁面區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密,近壁面第一層網(wǎng)格厚度為0.001 mm,保證近壁面y+<1.0,總網(wǎng)格數(shù)為1 460萬。

圖3 無激勵(lì)工況下葉片數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格示意圖Fig.3 Numerical simulation meshes for the blade in the no-actuation condition

數(shù)值計(jì)算邊界條件與Kwak和Han的實(shí)驗(yàn)邊界條件[24]保持一致,表2給出了具體的數(shù)值計(jì)算的邊界條件,主流進(jìn)出口邊界均為壓力邊界,冷氣進(jìn)口為質(zhì)量流量入口邊界,以保證吹風(fēng)比為1.0。計(jì)算氣膜冷卻效率時(shí),壁面設(shè)置為絕熱壁面邊界,工質(zhì)為理想氣體。

表2 數(shù)值計(jì)算的邊界條件

1.2 等離子體激勵(lì)模型

圖4為等離子體激勵(lì)模型示意圖。當(dāng)外加電源給上下極板施加足夠強(qiáng)度的電壓后,兩極板之間的空氣被電離產(chǎn)生帶電粒子,如圖3(a)中等離子體區(qū)域所示,采用線性近似的方法[12,15]將非均勻電場簡化為規(guī)則電場,如圖3(b)所示。近似后的等離子體區(qū)域呈三角形,其特征長度有等離子體區(qū)域沿法向高度a和沿流向長度b、上極板流向長度LUE,兩極板之間的距離L和下極板流向長度LLE。本文所使用的等離子體線性激勵(lì)模型參數(shù)取值見表3。

(a)等離子體激勵(lì)物理模型

(b)線性化近似后的等離子體模型

從等離子體激勵(lì)模型中可以看出,影響等離子體激勵(lì)的主要參數(shù)有交變電壓Ua、交變頻率f、電極流向間距L、等離子體區(qū)域沿法向高度a和沿流向長度b。本文采用Shyy等[12]所建立的等離子體線性激勵(lì)模型,將等離子體激勵(lì)力以動(dòng)量源項(xiàng)形式耦合至RANS方程組中,動(dòng)量守恒方程表達(dá)式如下

(1)

表3 等離子體線性激勵(lì)模型參數(shù)

1.3 參數(shù)定義

吹風(fēng)比定義為

(2)

式中:ρc和Uc分別為冷卻氣流進(jìn)口密度和速度;ρ∞和U∞分別為主流進(jìn)口密度和速度,計(jì)算過程中保持M=1.0。

絕熱氣膜冷卻效率定義為

(3)

式中:Taw為壁面的絕熱溫度;T∞為主流進(jìn)口溫度;Tc為冷卻氣流進(jìn)口溫度。

總壓損失PL定義如下

(4)

(5)

式中:min和mcooling分別為主流和冷氣進(jìn)口流量;Pt,in和Pt,cooling分別為主流和冷氣進(jìn)口總壓;Pt,local和Ps,local分別為當(dāng)?shù)乜倝汉彤?dāng)?shù)仂o壓。

引入以氣膜孔直徑D為特征長度的無量綱參數(shù)激勵(lì)強(qiáng)度Ds和激勵(lì)頻率Dθ[12,15-16]表征激勵(lì)參數(shù)

(6)

(7)

式中:ρe為等離子體區(qū)域電荷密度;ec為元電荷帶電量;E0為電場中最大場強(qiáng);f為電源頻率。

1.4 湍流模型考核

圖5給出了不同湍流模型下凹槽葉頂氣膜冷卻效率分布與實(shí)驗(yàn)結(jié)果[24]對比,從圖5中可以看出,k-ε湍流模型計(jì)算結(jié)果在凹槽前緣區(qū)域A處氣膜冷卻效率與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比偏大,SSTk-ω湍流模型計(jì)算結(jié)果相比于實(shí)驗(yàn)結(jié)果在葉片吸力側(cè)尾緣肩壁區(qū)域B處氣膜冷卻效率偏大,realizablek-ε湍流模型計(jì)算結(jié)果在尾緣凹槽底部區(qū)域C處氣膜冷卻效率偏大,k-ω湍流模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對吻合較好,因此最終選取k-ω湍流模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

圖5 不同湍流模型下凹槽葉頂氣膜冷卻效率分布與實(shí)驗(yàn)結(jié)果[24]對比Fig.5 Comparison of film cooling effectiveness contours on squealer tip in different turbulence models with experimental results[24]

1.5 等離子體線性激勵(lì)模型驗(yàn)證

利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[25]和公開發(fā)表的數(shù)值結(jié)果[12]對本文所建立的等離子體線性激勵(lì)模型的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證模型的主要參數(shù)見表4。

表4 驗(yàn)證模型的主要參數(shù)

圖6給出了本文計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果[25]、公開發(fā)表的仿真結(jié)果[12]的對比。從圖6(a)可以看出,等離子體激勵(lì)在近壁面產(chǎn)生流向的誘導(dǎo)射流,表現(xiàn)為近壁面流向速度增大,在流向X=4.5 mm處等離子體激勵(lì)對流體擾動(dòng)的法向范圍為0～2.1 mm,流體的無量綱速度u/U∞峰值約為1.1。從圖6(b)可以看出,在流向處X=17.3 mm等離子體激勵(lì)擾動(dòng)流體法向范圍為0～1.4 mm,流體的無量綱速度u/U∞峰值約為2.6,與參考文獻(xiàn)[12]數(shù)據(jù)吻合良好,在流向0～0.7 mm范圍內(nèi)兩者基本吻合,因此所建立的等離子體線性激勵(lì)模型具有較好的精度。

(a)X=4.5 mm處流向速度分布對比

(b)X=17.3 mm處流向速度分布對比

2 結(jié)果與討論

2.1 激勵(lì)強(qiáng)度對葉頂氣膜冷卻性能的影響

本節(jié)在吹風(fēng)比M為1、激勵(lì)頻率Dθ為7.5的條件下,通過分析凹槽葉頂氣膜冷卻效率、葉頂三維流線圖、葉頂速度截面圖和流線圖比較激勵(lì)強(qiáng)度Ds=132,156,180和204工況下的凹槽葉頂氣膜冷卻性能。

2.1.1 凹槽葉頂氣膜冷卻效率分布

圖7為不同激勵(lì)強(qiáng)度下凹槽葉頂氣膜冷卻效率云圖,從圖7中可以看出,在無激勵(lì)工況時(shí)氣膜冷卻效率較高的區(qū)域在凹槽葉頂中部偏后區(qū)域A,凹槽底部除前緣區(qū)域外整體氣膜冷卻效率較高。在加入等離子體激勵(lì)且激勵(lì)強(qiáng)度逐漸增大時(shí),凹槽中部區(qū)域B冷氣覆蓋面積也隨著激勵(lì)強(qiáng)度的增大而明顯增大。在激勵(lì)強(qiáng)度Ds=132時(shí)尾緣處存在高氣膜冷卻效率區(qū)域C,這是因?yàn)榍熬壓椭胁康睦錃庠诘图?lì)強(qiáng)度時(shí)還未對尾緣冷氣造成吹離;隨著激勵(lì)強(qiáng)度逐漸增大,前緣和中部的冷氣在較大的激勵(lì)力作用下將尾緣處的冷氣卷吸吹離凹槽底部,區(qū)域C消失。值得注意的是,在激勵(lì)強(qiáng)度Ds為204時(shí),在凹槽中部形成了面積較大的高氣膜冷卻效率區(qū)域D,同時(shí)凹槽底部整體氣膜冷卻性能較好,在該激勵(lì)條件下凹槽底部氣膜冷卻性能得到了明顯改善。

圖7 不同激勵(lì)強(qiáng)度下凹槽葉頂氣膜冷卻效率云圖Fig.7 Film cooling effectiveness contours on squealer tip with different plasma actuation strength

圖8為不同激勵(lì)強(qiáng)度下凹槽節(jié)距平均氣膜冷卻效率。從圖8中可以看出,相對于無等離子體激勵(lì)工況,施加等離子體激勵(lì)后尾緣處氣膜冷卻效率顯著增大。隨著激勵(lì)強(qiáng)度逐漸增加,中部的氣膜冷卻效率逐漸提升。在激勵(lì)強(qiáng)度Ds為204時(shí),凹槽中部的氣膜冷卻效率最大,整體氣膜冷卻性能得到了提升。

圖8 不同激勵(lì)強(qiáng)度下凹槽底部節(jié)距平均氣膜冷卻效率Fig.8 Pitch-averaged film cooling effectiveness on the cavity floor with different plasma actuation strength

表5 不同激勵(lì)強(qiáng)度下凹槽底部平均氣膜冷卻效率及其相對無激勵(lì)工況提升值

2.1.2 凹槽葉頂三維流線圖

圖9為不同激勵(lì)強(qiáng)度下凹槽葉頂三維流線圖,在無激勵(lì)工況時(shí)凹槽底部區(qū)域A處冷氣匯集,在A處形成了高氣膜冷卻效率區(qū)。在激勵(lì)強(qiáng)度Ds為132時(shí)在凹槽底部尾緣處形成高氣膜冷卻效率區(qū)域B,此時(shí)中部冷氣在較低激勵(lì)強(qiáng)度下還未對尾緣冷氣造成卷吸吹離作用,尾緣區(qū)域得到了較好的氣膜冷卻性能。

隨著激勵(lì)強(qiáng)度逐漸增大,中部冷氣與尾緣冷氣發(fā)生摻混,將尾緣冷氣帶離凹槽底部區(qū)域,造成凹槽底部尾緣高氣膜冷卻效率區(qū)域B消失;同時(shí),激勵(lì)強(qiáng)度的增大也使得中部氣膜冷卻性能改善,冷氣在等離子體激勵(lì)力作用下在中部匯集。在激勵(lì)強(qiáng)度Ds為204時(shí),中部冷氣匯集在凹槽底部區(qū)域C,在凹槽中部形成了很好的冷氣覆蓋,極大地改善了凹槽中部區(qū)域的氣膜冷卻性能。

圖9 不同激勵(lì)強(qiáng)度下凹槽葉頂?shù)娜S流線Fig.9 Three-dimensional streamlines in squealer tip with different plasma actuation strength

2.1.3 凹槽葉頂速度截面圖和流線圖

圖10為不同激勵(lì)強(qiáng)度下各流向截面上的速度云圖和流線圖。在H1、H3、H5、H7和H11氣膜孔下游分別設(shè)置截面,沿流向分別命名為截面1～5。對于無激勵(lì)工況,在截面1處形成了兩個(gè)小尺寸漩渦,漩渦位置靠近腔室壓力面?zhèn)雀浇?但漩渦并未接觸凹槽底部;截面2處在整個(gè)凹槽區(qū)域內(nèi)有大尺度漩渦分布,與凹槽底部接觸面積較大,氣膜冷卻性能較好;截面3、4和5處漩渦均在凹槽壓力面?zhèn)葍?nèi)壁面處匯集,與凹槽底部接觸面積進(jìn)一步擴(kuò)大,冷氣在壓力面?zhèn)劝疾鄣撞啃纬闪肆己酶采w。

在加入等離子體激勵(lì)作用后,在截面1處漩渦匯集并且尺寸明顯增大,漩渦與凹槽底部接觸長度相比于無激勵(lì)工況顯著增大;但隨著激勵(lì)強(qiáng)度的增大,漩渦大小與凹槽底部接觸長度無明顯變化,說明增大激勵(lì)強(qiáng)度不能有效改善H1氣膜孔的氣膜冷卻性能。在截面3處,與無激勵(lì)工況相比,隨著激勵(lì)強(qiáng)度逐漸增大,漩渦尺寸逐漸減小,與凹槽底部接觸長度也逐漸減小,在壓力面?zhèn)劝疾鄣撞繀^(qū)域氣膜冷卻效果較差。在截面4處,隨著激勵(lì)強(qiáng)度逐漸增大,渦系遠(yuǎn)離凹槽內(nèi)壁面的趨勢愈加明顯,說明激勵(lì)強(qiáng)度增大會(huì)導(dǎo)致上游冷氣卷吸吹離下游冷氣,但漩渦與凹槽底部的接觸長度幾乎沒有變化,在凹槽底部中部的氣膜冷卻性能均較好。

2.2 激勵(lì)頻率對凹槽葉頂氣膜冷卻性能的影響

文獻(xiàn)[18]研究結(jié)果表明,外加電壓的頻率是影響等離子體激勵(lì)的重要因素。因此本節(jié)在激勵(lì)強(qiáng)度Ds=156、吹風(fēng)比M=1的條件下,研究激勵(lì)頻率Dθ為6.25、7.5和8.75工況下的凹槽葉頂氣膜冷卻性能。

2.2.1 凹槽葉頂氣膜冷卻效率分布

圖11為不同激勵(lì)頻率下凹槽葉頂氣膜冷卻效率云圖,在激勵(lì)頻率Dθ=6.25時(shí)在凹槽底部尾緣存在高氣膜冷卻效率區(qū)域C,這是因?yàn)榍熬壓椭胁康睦錃饩磳ξ簿壚錃庠斐删砦惦x作用,尾緣冷氣從氣膜孔中流出后覆蓋在凹槽底部,形成了較高氣膜冷卻效率區(qū)域。隨著激勵(lì)頻率逐漸增大,凹槽中部高氣膜冷卻效率區(qū)域B面積逐漸增大,尾緣處高氣膜冷卻效率區(qū)域C面積逐漸減小,這與激勵(lì)強(qiáng)度增大時(shí)凹槽底部氣膜冷卻性能變化規(guī)律一致。在激勵(lì)強(qiáng)度Dθ=8.75時(shí),在凹槽中部形成了面積較大的高氣膜冷卻效率區(qū)域D,同時(shí)凹槽底部整體氣膜冷卻性能較好。

圖11 不同激勵(lì)頻率下凹槽葉頂氣膜冷卻效率云圖Fig.11 Film cooling effectiveness contours on squealer tip with different plasma actuation frequency

圖12為不同激勵(lì)頻率下凹槽底部節(jié)距平均氣膜冷卻效率,增大激勵(lì)頻率,凹槽中部氣膜冷卻效率上升,凹槽底部整體氣膜冷卻性能改善。

圖12 不同激勵(lì)頻率下凹槽底部節(jié)距平均氣膜冷卻效率Fig.12 Pitch-averaged film cooling effectiveness on the cavity floor with different plasma actuation frequency

表6為不同激勵(lì)頻率下凹槽底部平均氣膜冷卻效率及其相對無激勵(lì)工況提升值,從表6中可以看出,激勵(lì)頻率Dθ=6.25時(shí)凹槽底部平均氣膜冷卻效率相比于無激勵(lì)工況提升了28.71%。激勵(lì)頻率Dθ=8.75時(shí),凹槽底部平均氣膜冷卻效率相比于無激勵(lì)工況提升了29.27%。

表6 不同激勵(lì)頻率下凹槽底部平均氣膜冷卻效率及其相對無激勵(lì)工況提升值

2.2.2 凹槽葉頂三維流線圖

圖13為不同激勵(lì)頻率下凹槽葉頂三維流線圖,在無激勵(lì)工況下凹槽中部冷氣在區(qū)域A處匯集,形成高氣膜冷卻效率區(qū)域,在激勵(lì)頻率Dθ=6.25時(shí),等離子體激勵(lì)力較小,前緣和中部的冷氣還未對尾緣處冷氣造成影響,尾緣區(qū)域冷氣流出氣膜孔后覆蓋在凹槽底部區(qū)域B,在B區(qū)域形成了高氣膜冷卻效率區(qū),隨著激勵(lì)頻率增大上游冷氣與尾緣處冷氣發(fā)生摻混,尾緣冷氣還未在凹槽底部展開便流出凹槽區(qū)域,高氣膜冷卻效率區(qū)域B消失。

圖13 不同激勵(lì)頻率下凹槽葉頂三維流線圖Fig.13 Three-dimensional streamlines in squealer tip with different plasma actuation frequency

2.2.3 凹槽葉頂速度截面圖和流線圖

圖14為不同激勵(lì)頻率下各流向截面上的速度云圖和流線圖,沿流向截面的位置和命名規(guī)則與2.1.3節(jié)中保持一致。增大激勵(lì)頻率對凹槽內(nèi)渦系位置和大小的影響與激勵(lì)強(qiáng)度相類似,增大激勵(lì)頻率會(huì)導(dǎo)致截面1處的漩渦向壓力面?zhèn)瓤繑n,增加漩渦與凹槽底部的接觸長度,截面4處漩渦逐漸遠(yuǎn)離壓力面?zhèn)?上游冷氣對中部冷氣的卷吸吹離作用隨激勵(lì)頻率的增大而增強(qiáng)。

圖14 不同激勵(lì)頻率下各流向截面上的速度云圖和流線圖Fig.14 Velocity contours and streamlines on streamwise cutplanes with different plasma actuation frequency

2.3 等離子體控制策略的改進(jìn)

在不同等離子體激勵(lì)強(qiáng)度下凹槽葉頂氣膜冷卻性能的研究中發(fā)現(xiàn):不同激勵(lì)強(qiáng)度對凹槽底部前緣、中部和尾緣區(qū)域的氣膜冷卻性能影響不同。本節(jié)提出一種改進(jìn)的等離子體控制策略:將凹槽底部H1～H4氣膜孔、H5～H8氣膜孔和H9～H11氣膜孔附近區(qū)域劃分為前緣區(qū)域、中部區(qū)域和尾緣區(qū)域,分別對3個(gè)區(qū)域施加不同激勵(lì)強(qiáng)度的等離子激勵(lì),命名為改進(jìn)組。改進(jìn)組的前緣區(qū)域施加激勵(lì)強(qiáng)度Ds=180、中部區(qū)域施加激勵(lì)強(qiáng)度Ds=204、尾緣區(qū)域施加激勵(lì)強(qiáng)度Ds=228。激勵(lì)頻率與吹風(fēng)比保持為Dθ=7.5和M=1不變。選取無激勵(lì)工況和2.1節(jié)中凹槽底部激勵(lì)強(qiáng)度Ds=204工況作為參考對象,對改進(jìn)組提升氣膜冷卻性能效果進(jìn)行分析。

2.3.1 凹槽葉頂氣膜冷卻效率分布

圖15 改進(jìn)組與無激勵(lì)和Ds=204工況凹槽葉頂氣膜冷卻效率云圖對比Fig.15 Comparison of film cooling effectiveness contours on squealer tip in improvement group with no-actuation condition and Ds=204 condition

圖15為改進(jìn)組與無激勵(lì)和Ds=204工況凹槽葉頂氣膜冷卻效率云圖對比。從圖15中可以看出,在無激勵(lì)時(shí),凹槽底部高氣膜冷卻效率區(qū)域A位于中部偏尾緣位置;激勵(lì)強(qiáng)度Ds=204時(shí)高氣膜冷卻效率區(qū)域B位于凹槽中部位置,且覆蓋面積較大;改進(jìn)組的高氣膜冷卻效率區(qū)域C和D分別位于中部偏前緣和尾緣位置,相比于其他兩組工況,改進(jìn)組的高氣膜冷卻效率區(qū)域位置變化,面積也相應(yīng)增大。圖16為改進(jìn)組與無激勵(lì)和Ds=204工況凹槽葉頂節(jié)距平均氣膜冷卻效率對比。從圖16中可以看出,改進(jìn)組與Ds=204工況在凹槽中部的氣膜冷卻效率相近,中部氣膜冷卻效率相比于無激勵(lì)工況均顯著增大;而在尾緣處改進(jìn)組的氣膜冷卻效率相比Ds=204工況得到了極大提升,整體氣膜冷卻性能最好。

圖16 改進(jìn)組與無激勵(lì)和Ds=204工況凹槽葉頂節(jié)距平均氣膜冷卻效率對比Fig.16 Comparison of pitch-averaged film cooling effectiveness on squealer tip in improvement group with no-actuation condition and Ds=204 condition

表7為改進(jìn)組凹槽底部平均氣膜冷卻效率及其相對無激勵(lì)工況提升值,從表7中可以看出,改進(jìn)組相比無激勵(lì)工況和Ds=204工況凹槽底部平均氣膜冷卻效率分別提升了39.12%和11.20%。

表7 改進(jìn)組凹槽底部平均氣膜冷卻效率及其相對無激勵(lì)工況提升值

2.3.2 凹槽葉頂三維流線圖和速度截面圖

圖17為改進(jìn)組與無激勵(lì)和Ds=204工況凹槽葉頂三維流線圖對比。從圖17中可以看出,無激勵(lì)工況下在區(qū)域A處形成了較好的氣膜覆蓋區(qū)域;激勵(lì)強(qiáng)度均為Ds=204時(shí)在凹槽中部區(qū)域B形成了較好的冷氣覆蓋區(qū)域,而改進(jìn)組冷氣既在凹槽中部區(qū)域B處形成了良好的氣膜覆蓋,尾緣區(qū)域C處也幾乎沒有受到上游冷氣入侵導(dǎo)致的卷吸吹離,改善了凹槽底部整體的氣膜冷卻性能。

圖17 改進(jìn)組與無激勵(lì)和Ds=204工況凹槽葉頂三維流線圖對比Fig.17 Comparison of three-dimensional streamlines in squealer tip in improvement group with no-actuation condition and Ds=204 condition

圖18為改進(jìn)組與無激勵(lì)和Ds=204工況各流向截面上速度云圖和流線圖對比,沿流向截面的位置和命名規(guī)則與2.1.3節(jié)中保持一致。從圖18中可以看出,改進(jìn)組與整體激勵(lì)強(qiáng)度均為Ds=204的工況截面1、2、3和4處渦系結(jié)構(gòu)和位置基本相同,在截面5處改進(jìn)組漩渦尺寸略微縮小,更加靠近凹槽壓力面?zhèn)葍?nèi)壁面。

圖18 改進(jìn)組與無激勵(lì)和Ds=204工況各流向截面上速度云圖和流線圖對比Fig.18 Comparison of velocity contours and streamlines on streamwise cutplanes in improvement group with no-actuation condition and Ds=204 condition

2.4 總壓損失分析

葉柵氣動(dòng)性能是決定葉片工作效率的關(guān)鍵物理量,本節(jié)通過分析軸向截面處的總壓損失PL來探究等離子體激勵(lì)對葉柵的氣動(dòng)性能是否有影響。軸向切面所在位置如圖19所示,軸向截面位于葉片尾緣下游Z=10 mm處。

圖19 軸向切面所在位置Fig.19 Position of special axial section

表8為不同工況下軸向截面平均總壓損失對比,各工況相比于無激勵(lì)工況總壓損失PL變化均較小,激勵(lì)頻率Dθ=8.75時(shí)達(dá)到最大相對變化量2.81%。各工況總壓損失相比無激勵(lì)工況均略有上升,總體上認(rèn)為總壓損失不隨等離子體激勵(lì)的激勵(lì)強(qiáng)度和激勵(lì)頻率的變化而變化,等離子體激勵(lì)對葉柵的氣動(dòng)性能幾乎無影響。

表8 不同工況下軸向截面平均總壓損失對比

圖20為不同激勵(lì)參數(shù)軸向截面的總壓損失對比云圖,可以看出泄漏渦、上通道渦和下通道渦的大小和位置均無明顯變化,可以認(rèn)為等離子體激勵(lì)對葉柵的氣動(dòng)性能基本無影響。

圖20 不同激勵(lì)參數(shù)軸向截面的總壓損失對比云圖Fig.20 Total pressure loss contours of axial section with different plasma actuation parameters

3 結(jié) 論

本文采用數(shù)值方法研究了等離子體激勵(lì)作用于凹槽葉頂時(shí),激勵(lì)參數(shù)對凹槽葉頂?shù)臍饽だ鋮s性能和葉柵氣動(dòng)性能的影響機(jī)制,探索了一種改善凹槽底部冷卻氣膜覆蓋的非均勻等離子體控制策略,分析了等離子體激勵(lì)對葉頂間隙內(nèi)冷熱氣流的影響規(guī)律,主要結(jié)論如下。

(1)激勵(lì)強(qiáng)度顯著影響凹槽底部的氣膜冷卻性能。激勵(lì)強(qiáng)度較小時(shí),前緣和中部冷氣未對尾緣冷氣造成卷吸吹離作用,尾緣處氣膜冷卻效果較好,激勵(lì)強(qiáng)度Ds=132時(shí)凹槽底部平均氣膜冷卻效率相比于無激勵(lì)工況提升了10.02%;隨著激勵(lì)強(qiáng)度逐漸增大,尾緣冷氣被上游冷氣卷吸吹離凹槽區(qū)域,但中部冷氣在等離子體激勵(lì)作用下較好地覆蓋在凹槽底部,在凹槽中部形成了高氣膜冷卻效率區(qū),激勵(lì)強(qiáng)度Ds=204時(shí),凹槽底部平均氣膜冷卻效率相比無激勵(lì)工況提升了25.11%。

(2)激勵(lì)頻率對凹槽底部氣膜冷卻性能影響劇烈。與激勵(lì)強(qiáng)度對流場的影響規(guī)律類似,增大激勵(lì)頻率也會(huì)使尾緣高氣膜冷卻效率區(qū)域面積減小,中部高氣膜冷卻效率區(qū)域面積增大,激勵(lì)頻率Dθ=6.25和Dθ=8.75時(shí)凹槽底部平均氣膜冷卻效率相比于無激勵(lì)工況分別提升了28.71%和29.27%。

(3)在改變激勵(lì)強(qiáng)度時(shí)發(fā)現(xiàn),施加不同大小的均勻激勵(lì)強(qiáng)度不能同時(shí)改善凹槽底部前緣、中部和尾緣區(qū)域的氣膜冷卻性能,因此提出分區(qū)域施加非均勻激勵(lì)強(qiáng)度的改進(jìn)方法。研究發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后非均勻激勵(lì)強(qiáng)度的工況相比無激勵(lì)工況下,凹槽底部平均氣膜冷卻效率提升了39.12%,獲得了更好的氣膜冷卻性能。施加等離子體激勵(lì)對葉柵總壓損失基本無影響。