吹风比对平板气膜冷却效率影响的数值模拟

 为了揭示吹风比M对气膜冷却效果的影响规律,在M=0.5,1.0,1.5,2.0工况下对平板气膜冷却圆柱孔模型和扩散孔模型进行了流动和传热的数值模拟对比研究。计算时基于控制容积法对三维定常不可压缩N-S方程进行离散,采用SIMPLEC算法,湍流模型选取可实现k-ε着模型,壁面函数采用增强壁面函数,分析比较了壁面温度分布、速度矢量和气膜冷却效率。结果表明,随吹风比增大,射流容易脱离壁面。在孔口附近区域,对圆孔而言吹风比对冷却效率的影响不明显,而对扩散孔冷却效率随吹风比增加而提高。在射流向下游发展过程中,就扩散孔而言较大的吹风比使得射流沿流向的覆盖区域增大;就圆孔而言较大的吹风比射流出现了回流,近下游位置处的冷却效率提高而远下游处的冷却效率降低。由此可见,针对不同的孔型,冷却效率随吹风比的变化规律不尽相同,圆孔的冷却效率不随吹风比单调变化,扩散孔的冷却效率随吹风比的增加而提高。     

吹风比和偏角对交叉孔气膜冷却特性的影响

为了揭示吹风比和偏角对交叉孔气膜冷却的影响,通过改变吹风比及交叉孔的偏角,利用数值模拟的技术,进行气膜冷却特性研究。湍流模型选择k-ε模型,壁面函数采用增强壁面函数。结果表明:①随着吹风比的增大,涡旋中心与壁面间距增大,反肾涡旋对的影响范围变大,这使气膜的覆盖面积增大,同时气膜的贴壁性变差;吹风比为1.5时显示了较好的冷却效果;②随着偏角的增大,反肾涡旋对间距加大,这使气膜的覆盖面积增大,同时也导致气膜在下游的分离提前;偏角25度显示了较好的冷却效果。     

带造型凹坑孔的平板气膜冷却特性研究

设计了一种造型凹坑冷却孔结构,采用数值求解雷诺平均Navier-Stokes方程的方法,研究了造型凹坑孔结构对平板气膜冷却性能的影响,并利用已有的实验数据考核了数值方法的有效性。通过计算得到了6种吹风比、3种凹坑深度条件下带造型凹坑孔的平板气膜冷却性能,并与常规圆孔进行了对比。研究结果表明:在考核的7种湍流模型中,Realizable k-ε湍流模型可以较好地模拟平板壁面的冷却性能;造型凹坑孔可以产生一对阻碍肾形涡发展的反向旋涡,降低冷却流体与高温主流的掺混作用,增加冷却流体在周向上的覆盖,从而提高气膜冷却效率;相比于常规圆孔结构,造型凹坑孔可以有效地提高轴向中心线及周向平均气膜冷却效率,在不同吹风比条件下,造型凹坑孔的气膜冷却效率在轴向长度为3倍孔径的区域提高了20%～200%,在3倍到10倍孔径的区域提高了10%～25%;在所研究的3种凹坑深度中,凹坑深度为圆孔直径的0.7倍时平板气膜冷却性能最优。     

连续收缩扩张气膜孔排冷却特性的数值模拟

为研究连续收缩扩张孔的冷却特性,在C3X静叶片上分别建立了连续收缩扩张气膜孔冷却模型、圆柱气膜孔冷却模型和展向扩张气膜孔冷却模型,连续收缩扩张气膜孔每排23个、孔间距为20mm,展向扩张孔每排19个、孔间距为24mm,圆柱孔每排19个、孔间距为24mm。同时,在叶片前部开设了一个U形冷却通道,尾部开设了一个直冷却通道,冷气通过这2个内部冷却通道进入气膜孔。利用ANSYS-ICEM商用软件对上述3种模型进行了结构化网格划分,采用ANSYSCFX商用软件和SST湍流模型进行了数值计算和分析比较,结果表明:连续收缩扩张孔的气膜冷却效率高于圆柱孔和展向扩张孔,在孔口附近和高吹风比下的优势最明显;连续收缩扩张孔使冷气射流在相邻两孔的交汇处形成了类似反肾形涡结构,该涡的强度不大,但具有良好的延续性和较大的冷气覆盖面积;复合冷却时冷气射流脱离壁面的现象更明显,孔口附近总冷却效率低于绝热冷却效率。在连续收缩扩张孔的实际应用中选择偏大的吹风比和更小的入射角可以提高气膜冷却效率。     

平板冲击发散冷却流动与换热特性的数值模拟

采用ANSYS-CFX商用软件对模化平板冲击发散冷却结构中的流动与换热特性进行了数值模拟,对比了有、无固体域时冲击发散冷却的冷却效率,分析了不同吹风比时气体的流动结构、涡强度、综合冷却效率和流动效率的变化,分析了固体导热系数对冷却效率的影响。结果表明:冲击发散冷却同时具有冲击冷却和气膜冷却的优点,可以有效保护壁面;当吹风比增大时,冲击冷却的效果增强,肾型涡强度增大,气膜冷却效果减弱,但冲击冷却的影响优于气膜冷却,所以其综合冷却效率仍然提高了;气膜冷却部分有最大的局部压力损失系数,当吹风比增大时,总压力损失系数增大,流动效率下降;当固体导热系数增大时,冲击冷却的影响增大,综合冷却效率提高。该结果可为进一步冷却燃气轮机内工作部件提供参考。     

不同吹风比下平板气膜冷却数值模拟

为了解单孔结构平板气膜的冷却特性,该文对不同吹风比条件下的流场(M=0.75,1.0,1.5)进行了数值模拟,计算域采用FNM(full non-matched)形式的蝶形结构化网格来模拟射流,计算格式采用了包括LU-SGS-GE(lower upper symmetric Gauss Seidel Gaussian Elimination method)隐式格式和改良型高精度、高分辨率的MUSCL TVD(monotone upstream-centred scheme for conservation laws, total-variation-diminishing)格式的时间推进算法求解三维Navier-Stokes方程以及低Reynolds数双方程湍流模型.计算结果表明随着吹风比的不断增大,由于卷吸作用的增强,射流大部分脱离壁面与主流进行掺混使得气膜冷却效率不断降低,这与实验所得结果基本吻合.     

入射角度对气膜冷却效果影响的数值研究

采用RNGk-ε湍流模型对相同倾斜入射角不同扇形扩展角的气膜冷却单孔射流流场下游的流动和传热特性进行了详细的数值模拟,对相同吹风比下的冷却效率进行了比较分析。     

带槽双射流气膜冷却数值研究

针对双射流气膜冷却在提高气膜冷却效率中存在横向冷却效果不佳的问题,提出了一种带槽结构的双射流气膜冷却方式,即在气膜孔出口处垂直于流向横开一槽,并在平均吹风比为1.9时,采用CFX商用软件及剪切应力输运湍流模型对带槽双射流结构的流动与冷却特性进行数值研究,获得了横槽倾角对气膜冷却特性的影响规律。研究结果表明:在相同孔间距下,带槽结构能明显改善气膜在被冷却壁面的横向分布,增大气膜的横向覆盖面积,有效提高气膜冷却效率;不同的横槽倾角对气膜冷却效率具有重要的影响,倾角均为30°时的方案冷却效果最好;沿中心线远离气膜孔处出现未冷却区域,这可能与吹风比、横槽倾角、槽宽等参数有关。研究结果为射流冷却的流动与换热特性研究提供了参考依据。     

人射角度对气膜冷却效果影响的数值研究

采用RNG K-ε湍流模型对相同倾斜入射角不同扇形扩展角的气膜冷却单孔射流流场下游的流动和传热特性进行了详细的数值模拟,对相同吹风比下的冷却效率进行了比较分析.     

孔间距对气膜冷却效率影响的数值模拟

为了研究动量比、湍流度和密度比对圆柱形气膜孔流动的影响规律,采用数值模拟方法,研究了圆柱形气膜孔的冷却效率和流量系数,并与实验值进行了对比.结果表明:随着动量比的增大,二次流在气膜孔出口处逐渐偏离叶片;气膜孔出口下游存在一个高速区域,这一区域的速度随动量比的增大而减小;在湍流度和密度比保持不变的情况下,随着动量比增加,冷却效率的计算值随着气膜孔中心至测量点的叶片表面长度的增加在总体上呈逐渐减小的趋势;在低密度比下,湍流度对冷却效率影响不大;当密度比为1.5时,湍流度的不同导致冷却效率产生显著差异,密度比越小,冷却效率越低;在气膜孔出口处,冷却效率的数值计算值与实验值存在一定的差异.数值模拟的结果能够定性地反映气膜孔的流动特性.     

扇形气膜孔几何参数对气膜冷却效率的影响

气膜冷却技术广泛应用于航空发动机火焰筒、涡轮叶片等热端部件的冷却。与常规圆柱形气膜孔相比,扇形气膜孔冷却效率更高。为更全面地掌握在典型大涵道比商用航空发动机燃烧室火焰筒工作环境下扇形气膜孔气膜冷却效率随几何参数和吹风比的变化规律,采用数值模拟方法研究了扇形气膜孔的流动和换热,分析并讨论了气膜孔板厚度、气膜孔出口宽度、气膜孔入口圆柱段长度、气膜孔倾斜角以及吹风比对扇形气膜孔下游流场和热侧面气膜冷却效率分布的影响。结果表明：在小吹风比条件下,几何参数的变化对冷却效率影响很小;而当吹风比较大时,冷却效率随几何参数的变化规律可能受其他几何参数的交叉影响;几何参数的变化将诱发不同的卵形涡结构,从而对气膜孔下游的冷却效率分布造成较大的影响。     

液体火箭发动机燃烧室液膜冷却数值研究

对液体火箭发动机燃烧室中的液膜冷却进行了数值模拟．采用有限容积法对燃气和液膜控制方程同时进行求解，对燃气和液膜分别采用标准k-ε模型和修正的Van Driest模型描述其湍流流动．燃气的辐射传热采用热流模型计算，同时对液膜干涸点下游的流动与传热进行了模拟．详细研究了气液界面上质量、动量和热量的传输特性，发现当壁面绝热时，燃气对流传热和液膜蒸发所吸收的汽化潜热在界面热量传递中起主导作用，但燃气的辐射传热和液膜显热不能被忽略．同时，分析了各种因素对液膜长度的影响，计算结果与实验符合良好，对工程实践有指导意义．     

Film cooling with using the decomposition of an NH3 cooling stream as a chemical heat sink

The inlet temperatures of gas turbines are generally increasing over time,so conventional cooling methods are likely to approach their useful limits.It is therefore essential to investigate novel cooling methods.Based on the theory of heat transfer enhancement,a novel film cooling method for gas turbine blades using a chemical heat sink is proposed.In this method,the endothermic reaction of an NH 3 cooling stream heated by the main gas stream takes place,reducing the convective heat transfer between the mainstream and the blades.Therefore,film cooling effectiveness is improved.To test the feasibility of the proposed method,numerical simulations were conducted,using the classical flat plate with a 30 degree angled cylindrical hole(diameter,D).Film cooling effectiveness at different blowing ratios(M = 0.5,1.0,and 1.5) were computed and compared with the results of conventional cooling methods.The simulation results show that the proposed method can enhance film cooling effectiveness not only in the stream-wise direction,but also in the span-wise direction.The span-averaged film effectiveness is improved in the presence of a chemical heat sink,with the value of X/D(the ratio of downstream distance from the center of the film hole to the diameter of the film hole) increasing downstream of the film hole.The novel film cooling approach showed the best performance at M = 0.5.     

质量流量比对全气膜冷却叶片冷却特性影响的实验研究

采用瞬态液晶技术获得了全气膜冷却涡轮导向叶片全表面的高分辨率气膜冷却效率分布云图。实验在放大模型中完成,叶栅构成为三叶片两通道,叶栅进口雷诺数是1.0?05。叶片前缘有8排扩张型孔,压力面有21排轴向角孔,吸力面有24排轴向角孔。气膜孔排由２个供气腔供气,前腔二次流与主流的质量流量比为4.56%,后腔为4.67%。结果表明：受叶栅通道涡作用,气膜出流在吸力面呈聚敛状,在压力面则呈发散状。在三种质量流量比情况下,叶片平均冷却效率分布大体一致。随质量流量比的提升,叶片平均冷却效率提高,叶片前缘区域,气膜冷却效率提升更加明显。     

钢包半钢脱磷复吹数值的模拟研究

为研究承德钢厂100t钢包复吹对钢液的搅拌效果,利用Fluent软件对钢包在固定底吹模式下开展侧吹的流场进行数值模拟。结果表明,钢液流速、湍能、冲击面积都随侧吹流量增大而增大,熔池中速度死区逐渐降低,气体对熔池的搅拌能力也随之提高,加大侧吹气量对钢包渣层有搅拌效果,促进钢液的脱磷能力。     

等离子体气动激励改善气膜冷却效率的数值研究

为了获得等离子体气动激励改善气膜冷却效率的机理及影响规律,采用数值模拟方法研究了等离子体气动激励电极相对位置x/L分别为0.3、0.4和0.5时不同吹风比下的流动过程和冷却效率的分布情况,并通过与常规气膜孔冷却结构形式进行的对比,以揭示等离子体气动激励改善气膜冷却效率的作用机理。研究表明:等离子体气动激励产生的等离子体流能诱导冷却气流偏转,使冷却气流更好地贴覆壁面,改善了气膜冷却效率;等离子体气动激励电极位置离气膜孔出口距离越近,等离子体流诱导改善气膜冷却效率的作用越好,并且随着吹风比的减小,其作用效果越明显。     

透气砖在炉底位置与钢液吹氩行为的数值模拟

以精炼钢包为研究对象,在不同的透气砖位置的条件下,采用多相流模型计算了吹氩后钢包内钢液的流场,通过对流场数值的多元回归,计算了透气砖在钢包底部的最佳位置.结果表明:随着透气砖在钢包底部位置的变化,吹氩对钢液的搅拌效果也有很大的影响,当透气砖位置在钢包底部距中心位置为0.44R0～0.48R0之间时,底吹氩对钢液搅拌得更均匀.     

堵塞比对波纹板隔热屏冷却性能影响

以一种气膜冷却的波纹板隔热屏为研究对象,在保持波纹板隔热屏的波纹长度、波纹高度、以及开孔方式不变的情况下,通过在次流通道添加不同大小的堵塞物得到一系列不同堵塞比的几何模型,并基于Navier-Stokes方程组建立了流场三维数值计算模型,进行了流/热/固耦合数值模拟研究,获得了不同堵塞比对隔热屏壁面Nu、气膜冷却效果、冷流体热负荷、以及气膜孔流量系数的影响规律。结果表明：隔热屏热侧壁面Nu受堵塞比影响不大,冷侧壁面Nu在距离堵塞物较远处受堵塞比影响不大,在距离堵塞物较近处随堵塞比的增大而减小;气膜冷却效果在隔热屏主流背风侧靠近波谷处较高,在主流迎风侧靠近波峰处较低,隔热屏的综合平均冷却效果受堵塞比的影响不大;隔热屏单位面积冷流体热负荷随堵塞比增大而线性增大;气膜孔流量系数受堵塞比的影响不大,其最大值相比最小值变化了4.05%。