不同端口下單級狹縫引射對冷卻氣膜影響的數值計算

臧穎愷，陸振華

● （上海交通大學 機械與動力工程學院葉輪機械研究所，上海 200240）

不同端口下單級狹縫引射對冷卻氣膜影響的數值計算

臧穎愷1，陸振華2

● （上海交通大學 機械與動力工程學院葉輪機械研究所，上海 200240）

狹縫引射是氣膜冷卻結構中比較重要的一個，多用于船體和燃氣輪機的尾氣排放裝置。但現有對該結構的研究多是整體性能方面，對單級引射結構的引射效果則研究較少。通過對直角、45°角和圓角這三種不同端口以及每種端口下，三種不同狹縫寬度進行數值模擬，得出了引射效果最佳的單級結構、寬度尺寸及該結構的研究方向。

端口；狹縫引射；氣膜；數值計算

0 引言

狹縫引射結構是眾多氣膜冷卻[1]結構中的一種，而氣膜冷卻技術隨著現代光電和其它一些高科技產業的發展，也越來越受到關注和重視，特別是現代燃氣輪機技術中，燃燒室，高溫葉片等都需要用到該技術。雖然產生氣膜的結構也存在多種形式，但其中狹縫引射結構對氣膜冷卻來說，具有很高的實際效用價值。該裝置在船體的排氣系統，燃氣輪機的尾氣排放等方面均有運用?，F代船體排氣系統中，用來降低排氣煙羽和排氣管道壁面的溫度的紅外抑制裝置，其中一個比較關鍵的結構就是狹縫引射結構，應用最廣泛的是由波瓣噴管和混合管組成的紅外抑制系統[2]，所以對此研究具有重要的價值。

實際應用中，針對引射流動的宏觀特性，國內外針對引射系統的整體性能及多級引射結構進行了許多研究[3]，但是對單級結構的原理和引射性能，特別是對引射端口形狀的研究較少。本文主要針對單級結構下不同端口以及不同狹縫寬度，用數值計算的方法研究每種工況不同風速下的流動特性和氣膜作用范圍，為該結構以及多級裝置的設計提供參考依據。

1 原理簡介

狹縫引射其實質是后臺階流動的一種，但是所不同的是，它是后臺階流動中臺階處于開口狀態的一種特殊形式，它具有后臺階流動和混合層流動[4]兩種流動的綜合特性。本文討論的模型結構原理如圖1所示，雖然剪混合層下方的分離泡消失了，但是引射流與主流之間相互混合在引射壁面形成剪切混合層。主流一般是高溫高速的混合氣體（常為高溫乏氣或是燃氣等混合氣體），流經臺階面時，在引射面混合區內形成負壓區，周圍環境中的氣體（一般為環境空氣）從引射口（狹縫）被卷吸到混合管中，與主流中的氣體進行混合。由于流體的粘性力作用，在高溫主流氣體與卷吸的冷流體之間形成類似混合層和后臺階分離流動的剪切混合層。在主流與引射流混合發展的時候，混合層會逐漸向引射面上發展，引射流會形成第一個漩渦，然后混合層攜帶著大量的引射進來的冷流體逐漸向混合管中心區域發展。當達到一定的距離以后，剪切層發展到混合管的壁面附近，由于固體壁面的存在，剪切層重新發展成為邊界層流動。在此過程中，混合管中心的流體與卷吸流體之間的混合進一步加強。最終，重新發展的邊界層流動伴隨著中心區域的流體以比較均勻的溫度從混合管出口流出[5]。

圖1 引射原理

如果是多級引射（圖 2），重新發展后的流體就變成下級引射的主流，然后再次與引射流混合發展，如此多級發展后的最終流體與初始主流相比，溫度將大幅下降。

圖2 多級引射結構

而本文主要是針對實際應用中的情況，由于引射口的幾何形狀對引射效果會產生較大的影響，在對單級引射結構進行研究的基礎上，重點討論引射口形狀對產生壁面冷卻氣膜的影響。

2 數值計算

2.1 幾何模型參數和邊界條件

本文在根據實際使用和實驗模型的情況下，主要建立二維幾何計算模型。圖3是簡化后的二維計算模型，根據原理介紹，重點關注引射面上的流動特性，所以對引射面和引射口處細化網格后，多次計算得出較為精確的結果。

圖3 數值計算模型

考慮到模型的對稱性，實際計算中對模型進行稱簡化處理。如圖4所示是F端面為直角的單級引射結構計算模型，其余兩種模型端面局部放大情況如圖所示，分別為45°斜角和圓角。

其余邊界條件為：1）混合管入口，設定為速度入口邊界；2）對稱邊界；3）壁面邊界；4）環境邊界，設定為壓力出口邊界；5）引射面；6）環境邊界，設定為壓力入口邊界。流道寬為120mm，壁面寬度d=6mm。3壁面長度設定 300mm，考慮到尾跡區[6]變化對引射效果的影響，引射面設定800mm。環境邊界1000mm×3000mm。由于文獻[6]中指出，重疊長度對引射結果影響不大，所以不再對重疊長度的變化作計算研究。設定重疊長度L=30mm，每一種端面模型分三種狹縫寬度δ=10mm,15mm, 20mm，計算并討論其引射效果。

圖4 模型端口局部放大示意圖

2.2 計算模型的選用

在對已有的獲得三維全尺寸模型的基礎上，根據實際情況和實驗試件的結構，選取計算模型。由于馬會民等在文獻[7]中對三維全尺寸模型運用三種湍流模型k-ε、S2A以及k-ω進行了計算模型的分析，認為k-ω模型的計算結果更能接近實際結果，由于本文二維結構也是由三維結構簡化得來，所以本文也采用k-ω湍流模型進行計算，其輸運方程為：

式（1）和（2）中各參數的意義在文獻[8]中均有詳細說明。

計算采用控制容積法建立有限差分離散方程，湍流動能、湍流耗散項及動量方程都按二階迎風格式進行處理，用SIMPLEC算法求解壓力和速度的耦合關系。SIMPLEC算法改進了SIMPLE算法中的速度修正值計算式，解決了速度修正不協調一致的問題，其壓力可以不必亞松弛，入口速度設定V＝5m/s～40m/s，Re =4107～32854（Re=u0H v）。根據模型運用FLUENT軟件進行計算，得出計算結果。

3 數值計算結果分析

3.1 三種不同端口形狀

由于有環境大氣被引射進入主流，而壁面氣膜的產生主要是由引射流造成的，所以引入引射比，并且引射比Φ=G1/G2（G1是引射流流量，G2是主流流量）是判斷引射效果的一個重要依據。如圖 5所示，是三種不同端口在δ=15mm時的每種風速下的引射比匯總圖。由圖可以明顯看出，圓角的端口的引射比明顯好于直角和45°斜角的情況，而且從圖5中還可以看出，直角和45°斜角的引射比相差不大，而且在風速為30m/s左右達到峰值，之后隨著風速的提高，引射比下降。說明隨著主流風速的增加，直角和45°斜角端口的狹縫，引射效果逐漸增強，但不會一直線性增加，因為在引射口區域，會有很大的壓力梯度，而主流速度過大會導致引射口負壓梯度變大，這樣反而阻止了環境氣體被引射進入流道，從而阻礙引射效果。但是圓角的端口則該情況不明顯。

圖5 三種不同端口模型不同風速下的引射比

實際流動中的流場是通過流場中流體的速度場來反應的，由引射原理可知，流體在狹縫口的引射面附近存在著剪切混合層，所以本文通過選用引射面上方0.5mm區（網格節點間隔0.5mm）觀察Y方向的速度場分量為0時的延伸長度，可以更直觀的觀察到剪切混合層的存在，以此來判斷氣膜的有效長度。圖6所示的一組云圖中，速度V>0時，表示速度方向沿“+Y”方向；速度V<0時，表示速度沿“-Y”方向。圖6是δ=15mm，v=30m/s情況下的三種不同端口的Y方向速度場分量云圖。

由圖6可以看出，圓角端口的VY=0的壁面延伸長度明顯好于直角和45°角端口的情況。再如圖7所示，是三種不同端口在狹縫寬度均為15mm的情況下，每種風速下VY=0的壁面延伸長度的匯總圖。

圖6 三種不同端口Y方向的速度場

圖7 三種端口模型不同風速下VY=0的壁面延伸長度

由圖6可以看出，也是圓角端口的有效長度明顯好于其它兩種情況，但是在風速小于30m/s時，有效長度隨著主流的風速增加而增加，但當風速大于30m/s時，則均趨于平緩，并沒有明顯好轉趨勢。也說明引射效果不會隨著風速無限增強。

3.2 不同狹縫寬度

根據3.1結論可知，圓角端口的引射效果要好于其它兩種結構，所以取圓角端口在狹縫寬度分別為δ=10mm,15mm, 20mm時，每種風速下VY=0的壁面延伸長度的情況，討論狹縫寬度對引射效果的影響。如下圖8所示。

由圖8可看出，10mm和15mm的狹縫寬度的引射效果相差不大，20mm的狹縫寬度的VY=0的壁面延伸長度明顯較長，可看出狹縫寬度越大，引射效果越好。說明狹縫寬度越大，引射口的負壓梯度不大，越容易使環境氣體被引射進主流道，也就更容易產生較好的壁面冷卻氣膜。

圖8 三種狹縫寬度不同風速下VY=0的壁面延伸長度

4 結論

本文通過對不同端面結構，不同狹縫寬度的單級引射結構進行了數值計算，取得了一些具有參考價值的結果：

1）圓形端口結構的引射比明顯好于其它兩組端口，說明外部環境更容易被引射進流道，能更好的產生冷卻氣膜。

2）從VY=0的壁面延伸長度的情況來看，圓形端口結構的狹縫引射效果明顯好于直角和45°角的端面結構，能在引射面產生較長的壁面剪切層。也說明圓形端口更適合引射結構。

3）端口不變的情況下，狹縫寬度越寬，引射效果越理想，本文中，20mm狹縫寬度下的引射效果要好于10mm和15mm狹縫寬度的兩種情況，并且隨著風速繼續提高，當風速達到30m/s以后，有效引射長度沒有明顯變化。說明隨著風速的不斷上升，引射口的負壓區對引射效果也有一定的影響。

[1]張小英, 王先煒, 比較研究多種氣膜冷卻模型的冷卻效果[J].航空動力學報, 2002, 4(17): 476-479.

[2]D Fraedrich, E Stark, et al.Ship IR model validation using NATO SIMVEX experiment results[J].Proc.SP IE, 2003, 5075: 49-59.

[3]杜朝輝, 鐘芳源.船用燃氣輪機排氣紅外抑制裝置的流動分析[J].船舶工程, 1995(6): 25-28.

[4]Brown G.L., Roshko A..On density effects and large structure in turbulent mixing layers luid Mech., 1974, 64:775-816.

[5]柯峰.開口后臺階引射及窄寬度二維臺階繞流的湍流非定常特性實驗研究[D].上海交通大學, 2007:8-20.

[6]元曉川, 談立成, 張會生.狹縫結構對船用排氣引射系統壁面溫度影響的數值模擬[J].機電設備, 2012(2).

[7]馬會民, 陳漢平, 蘇明等.三維引射流動數值模擬及紊流模型選擇[J].上海交通大學學報, 2006, 40(2):326-330.

[8]李進良, 李承曦, 胡仁喜.精通 FLUENT 6.3流場分析[M].北京: 化學工業出版社, 2009.

2012年度全球船企新船訂單排名

據Clarkson統計，2012年韓國STX造船海洋旗下的15個造船廠共獲得了116艘298萬CGT新船訂單，是全球獲得新船訂單最多的造船企業。

去年現代重工獲得了47艘240萬CGT新船訂單，居第二。大宇造船海洋、三星重工、現代尾浦造船分別獲得了21艘111萬CGT、22艘106萬CGT、56艘106萬CGT新船訂單，韓國這五家造船廠位居2012年度全球新船訂單前五名。接下來，Imabari公司獲得45艘87萬CGT訂單、滬東中華造船獲得16艘67萬CGT、Fincantieri獲得7艘52萬CGT、大船重工獲得12艘48萬CGT、外運長航集團獲得23艘41萬CGT、外高橋造船獲得18艘41萬CGT訂單。

Numerical Calculation of the Different Port of Single Slit Ejector of Cooling Gas Film Influence

ZANG Ying-kai1，LU Zhen-hua2
(Institution Turbo Machinery, School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Slit ejector is one of the important structures in film cooling.It is used for the apparatus of the ships and the gas turbine exhaust emissions to reduce the exhaust emission temperature and protect the device.Most researches on this structure nowadays are about the overall performance.There are fewer researches which focus on the single ejector structure.Through the numerical simulations of three different ports and three different slit width of the structure, the best result of the single stage ejector structure and width size is given in this paper.

port; slit ejector; gas film; numerical calculation

TU85

A

臧穎愷（1987-），男，碩士研究生。研究方向：流體動力學和流場分析。