旋轉雙流程葉根彎道流動傳熱特性數值模擬

尚夢雨,范 青,張 科,雷 蔣

(1.西安交通大學 航天航空學院 機械結構強度與振動國家重點實驗室,陜西 西安 710049;2.西安航天動力研究所,陜西 西安 710100)

0 引言

高效冷卻技術是保證航空發動機、火箭發動機、地面燃氣輪機安全與穩定運行的必要手段。內部冷卻是渦輪葉片最常用的冷卻方式之一,冷卻介質流經葉片內部的蛇形彎道,以對流傳熱的方式吸收葉片熱量,降低其溫度[1]。常見的內部冷卻往往通過人工粗糙度的方法,如布置擾流肋片等,以增強湍流摻混,提高換熱強度[2-9]。

渦輪動葉工作在高轉速的條件下,葉片內冷卻介質受到科氏力和旋轉浮升力的影響,其流動與換熱特性與靜止狀態相比呈現出很大差異[10]。Wagner等利用實驗的方法,對旋轉狀態下的徑向外流光滑通道和蛇形彎道的傳熱現象進行了研究,獲得了大量的實驗數據,發現旋轉浮升力對徑向外流通道的影響強于內流通道[11-12];Dutta在Wagner等的研究基礎上,利用含旋轉浮升力和科氏力的湍流模型,對Wagner的實驗數據進行大膽的拓展,預測了在更大范圍內旋轉對流動傳熱特性的影響規律,并發現了葉片前緣流動分離可以強化傳熱的現象[13]。

鄧宏武等對旋轉狀態下帶肋U形通道內的傳熱現象進行了實驗研究,發現通道內各表面的傳熱特性與流動特性密切相關,其中科氏力在垂直于旋轉半徑的截面上的不均勻分布是產生傳熱差異的主要原因[14]。鄧宏武、程俊華等分別使用實驗和數值模擬的方法,研究了高旋轉數下內冷通道的傳熱現象[15-16]。……