吹風(fēng)比對(duì)圓角橫槽冷卻效率的影響

劉銘起 鄭凱兮 史昕博 蔣尚韜 潘思卓

摘 要 本文采用CFD方法，在不同吹風(fēng)比下研究圓角橫槽結(jié)構(gòu)冷卻效率。結(jié)果表明：與傳統(tǒng)圓孔氣膜冷卻結(jié)構(gòu)相比，具有圓角橫槽結(jié)構(gòu)的冷卻效率得到了顯著的提高。新的槽出口幾何形狀可降低薄膜冷卻質(zhì)量流速，同時(shí)提升冷卻效果。

關(guān)鍵詞 燃?xì)廨啓C(jī) 氣膜冷卻 圓角橫槽 康達(dá)效應(yīng)

中圖分類(lèi)號(hào)：V211.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

隨著燃?xì)廨啓C(jī)性能的不斷提高，燃?xì)膺M(jìn)口溫度的增加一方面會(huì)導(dǎo)致燃燒室受熱不均，造成燃燒室火焰筒壁上產(chǎn)生很大的溫度梯度，對(duì)部件壽命影響嚴(yán)重，另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)合金材料已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代燃機(jī)的要求，所以必須采用先進(jìn)的冷卻技術(shù)來(lái)保證燃機(jī)透平初溫的提升。

本文在不同吹風(fēng)比條件下對(duì)圓角橫槽結(jié)構(gòu)的換熱特性進(jìn)行數(shù)值研究，通過(guò)圓角結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)抗渦孔的冷卻效率。針對(duì)冷卻效率表現(xiàn)較好的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提出一種氣膜冷卻效率更高的圓角橫槽結(jié)構(gòu)。

1物理模型和計(jì)算方法

本文共研究3種不同的圓角橫槽結(jié)構(gòu)和1種傳統(tǒng)圓孔結(jié)構(gòu)，冷卻孔結(jié)構(gòu)孔徑D為5mm，冷卻流出口角%Z為35埃岵墼步墻嵌確直鷂？.2D、0.25D和0.3D。

2計(jì)算方法及邊界條件的設(shè)置

本文采用Realizable k-%^模型，近壁區(qū)域用增強(qiáng)壁面函數(shù)處理（Enhanced Wall Treatment）。壓力和速度耦合采用SIMPLE算法，各個(gè)物理量采用二階精度迎風(fēng)格式離散，收斂條件為各個(gè)參數(shù)殘差小于10-5。主流入口定義為速度入口，平均速度為20m/s，溫度為330K，主流湍流度為4.5%;冷卻氣流通道入口同為速度入口，溫度為300K，湍流度為1%，速度大小根據(jù)吹風(fēng)比計(jì)算得出。出口壓力為101.325kPa。

3結(jié)果與討論

由圖1可以看出，在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，在較小吹風(fēng)比條件下冷卻效率高于其他兩種吹風(fēng)比，且在近圓孔處（0到3D），M=0.5，1.0，1.5冷卻效率依次降低。在圓角0.2D圓槽結(jié)構(gòu)中，在近圓孔處（0到3D），M=0.5冷卻效率遠(yuǎn)高于其他兩種。在3D到25D之間，大吹風(fēng)比（M=1.5）冷卻效率最高。圓角為0.25D的結(jié)構(gòu)中，小于13D的流向區(qū)域內(nèi)，M=0.5的冷卻效率最高，而大于13D的區(qū)域M=1和M=1.5效率較高。圓角為0.3D的結(jié)構(gòu)與0.25D結(jié)構(gòu)的冷卻效率趨勢(shì)相似。以上分析可得，在較小的圓角結(jié)構(gòu)中小吹風(fēng)比具有較高的冷卻效率，而隨著圓角的增大，較大吹風(fēng)比的冷卻效率具有上升趨勢(shì)。

圓角0.25D的圓槽結(jié)構(gòu)具有較優(yōu)異性能。尤其在大吹風(fēng)比情況下，表現(xiàn)尤為明顯。圖2給出了傳統(tǒng)圓孔和圓角0.25D結(jié)構(gòu)壁面氣膜冷卻效率云圖，可以看出與傳統(tǒng)基線圓孔氣膜冷卻結(jié)構(gòu)相對(duì)比，具有圓角橫槽的氣膜冷卻結(jié)構(gòu)的冷卻效率得到了顯著的提高，這是由于圓角橫槽結(jié)構(gòu)有效抑制垂直槽的射流進(jìn)入交叉流，使冷卻氣流貼附于壁面產(chǎn)生康達(dá)效應(yīng)，增加了冷卻流體在展向上的覆蓋，有效提高了氣膜冷卻效率。

4結(jié)論

3種圓角結(jié)構(gòu)圓槽孔平均氣膜冷卻效率均高于常規(guī)圓孔結(jié)構(gòu)，且隨著吹風(fēng)比的增大，冷卻效率的峰值沿X軸增大。在小吹風(fēng)比（M=0.5）的情況下，整體冷卻效率最高。

在較小的圓角結(jié)構(gòu)中，小吹風(fēng)比具有較高的冷卻效率，而隨著圓角的增大，在較大吹風(fēng)比情況下，效率具有上升趨勢(shì)。

圓角角度為0.25D的圓角橫槽結(jié)構(gòu)具有較優(yōu)異性能。并且隨著吹風(fēng)比的不斷增大，圓角橫槽結(jié)構(gòu)氣膜冷卻效率都遠(yuǎn)高于常規(guī)圓孔結(jié)構(gòu)，尤其在大吹風(fēng)比條件下表現(xiàn)得尤為明顯。

參考文獻(xiàn)

[1] 尹洪，王文萍，任靜，蔣洪德.燃燒室出口輻射對(duì)氣膜冷卻傳熱影響研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2012，33（02）：214-217.

[2] 張浩，李錄平，唐學(xué)智，黃章俊.燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)葉縮放型氣膜孔冷卻效果的數(shù)值模擬[J].熱能動(dòng)力工程，2019，34（03）：33-42.