非定常激波对气膜冷却影响的数值模拟.pdf

中国工程热物理学会2006年学术会议热机气动热力学062007非定常激波对气膜冷却影响的数值模拟．周勇12赵晓路‘徐建中1(1中国科学院工程热物理研究所，北京100080；2中国科学院研究生院，北京100080)Tel：010-62610250，E．mail：lakezhouy@sina．com摘要利用数值计算的方法研究了非定常激波对下游涡轮叶片表面气膜冷却的影响．冷却气流在激波和尾迹经过的过程中，发生了上扬和重新被压制回壁面的现象．考察了壁面上特定点在有气膜和无气膜情况下的换热量．通过计算发现，有气膜时的换热量有不同程度的下降，而且换热量随时间变化的趋势也发生了很大的变化．气膜的覆盖减小了主流场对壁面换热量的影响．1．前言当今航空燃气轮机燃烧室出口的温度越来越高，当温度超过叶片的耐热极限时，必须采用内冷和外冷的冷却技术来降低叶片表面温度气膜冷却是目前最有效的隔离高温燃气、冷却叶片、延长叶片寿命的技术，在航空燃气轮机中得到了广泛的应用燃气涡轮发动机中的气体流动具有高度的非定常性涡轮动静叶间的非定常干涉不仅会引起流场的非定常波动，而且会带来叶片表面换热的非定常波动低速情况下这种波动主要是由于势流场与尾迹带来的。

随着涡轮级负荷的增大，导向叶片通道中出现了跨音流动，从而在尾缘出现激波激波的非定常扰动效果很明显Doorly和0ldfield等人H¨引3’用转动的圆棒模拟导向叶片的尾缘激波和尾迹，发现扫过的尾迹和激波会激起动叶的边界层，大大增加壁面换热率文中认为，激波直接打在叶片表面对换热的影响不大，但激波与附面层的干涉在前缘产生的扰动沿吸力面传播，在一定的位置产生分离泡并向下游运动然后才是尾迹的作用因此作者认为，可将影响叶片表面换热的因素分离为激波直接作用，分离泡的作用和尾迹的作用，其中尾迹的作用最大Epstein、Abhari、Guenette等人利用MIT暂冲式涡轮实验台进行了一系列有关叶片表面换热及气膜冷却方面的实验研究H¨钉埔1．研究结果显示，叶排间的相互干涉带来的压力和温度波动是造成热流非定常变化的主要原因A．C．Smith，A．C．Nix[7J等人研究了非定常激波扫过有，无气膜冷却的涡轮叶片时其压力面和吸力面的换热情况在无气膜冷却的情况下，当激波到达压力面时已大为减弱，激波对压力面的加热效果仅相当于对吸力面加热效果的50％；在有气膜冷却的情况下，由于激波使吸力面的冷气出流量减小，在冷气总流量一定的条件下压力面的冷气出流量相应增加，对压力面的换热造成很大影响。

M．J．mgby、A．B．Johnson等人网利用圆棒模拟研究了上游激波和尾迹对气膜冷却的影响文中比较了有／无激波和尾迹时下游气膜冷却壁面的换热情况实验发现：在吸力面上存在一个最佳吹风比，而在压力面上气膜冷却的效果很不明显：上游激波和尾迹对吸力面的气膜冷却有很大影响，尾迹增强了主流与气膜的掺混，而激波则使壁面换热量发生非定常变化有，无气膜冷却的对比则揭示出气膜的引入使得非定常激波测量信号发生变化，即气膜的引入改变了激波的结构和强度．本文研究的对象是1+1／2涡轮级，其第二级静叶采用气膜冷却，共有5个气膜孔，吸力面三个(其中第一个较靠近前缘)，压力面两个，宽度为0．5mm，见图1利用数值计算的方法研究了第一级动叶尾缘的激波对第二级静叶气膜冷却的影响3l2．计算方法受计算条件限制，本文所作计算为二维数值模拟计算采用商J{；j程序Fluent，时间上采用二阶隐式格式，空间上采用二阶迎风格式，显式couple算法为了：宵省计算时间，湍流模型采用了单方程S-A模型为了捕捉流场细节，观察附面层内的流动，在划分网格时利用附面层网格对壁面附近局部加密，第一层网格的取值保证y+在1左右，壁面附近的网格其y+最大值不超过10。

网格数总数在12万左右，内循环收敛残差为10一图2为第一级动叶尾缘周围的网格图3为第二级导叶前缘气膜孔附近的网格图l计算型面图图2第一级动叶尾缘附近网格图Mass，●∞●F脚Rab‘峰『．)7--，栩一■●__一Ⅷ__，_．Tnstop图3第二级导叶前缘气膜孔周围网格图图4进口流量随物理时间步的变化计算时给定第一级导叶进口总压600000Pa，静压591717Pa，总温1700K，第二级导叶出口静压95000Pa叶片壁面边界条件设定为定温，并给出壁面厚度气膜孔设为流量进口，流量为0．08kg／s第一级动叶的运动速度为442．5m／s，转过一个通道的时间约为0．0001262s计算时取时间步长为0．000004206s这样一个通道的周期约为30个时间步长图4是进口流量随物理时间步的变化图由图中能看出12个通道周期后就显示出明显的周期性3．计算结果主要考察气膜孔周围的流场在激波和尾迹经过的过程中的变化情况通过分析流场各时刻的图像可以知道，图5和图6是上游尾缘激波经过吸力面三个气膜孔、尾迹经过压力面两个气膜孔的过程图7是激波经过吸力面第一个气膜孔后的流线图图8是尾迹经过吸力面第一个气膜孔时的流线图。

为了监测壁面上的换热量，设定了一些观察点图2中可以看到一些观察点的位置图9至图14是有／：无气膜冷却情况下吸力面和压力面上各3个观察点上的换热量随物理时间步的变化对比图．其顺序均为从前往后32M—MW～，{．1，■jjJlt●jJl，tJJJlljjJ●工图5激波到达吸力面前流线图(26／30T)图6激波到达吸力面时流线图(3／30T)图7激波经过吸力面第一个气膜孔后的流线图图8尾迹经过吸力面第一个气膜孔时的流线图——目一nO翩●—-，●一‰——日一nO●■■-—1●P■n图9吸力面第一观察点换热量一时间图图10吸力面第二观察点换热量一时阃图33——{}一■●-----4b---■^图11吸力面第三观察点换热量一时问图图12压力面第一观察点换热量一时问图图13压力面第二观察点换热量一时间图图14压力面第三观察点换热量一时问图4．流场分析从图5和图6可以很清楚地看到，在激波经过吸力面两个气膜孔的过程中．冷却气流发生了一定程度的上扬．之后又被压制回壁面；尾迹经过压力面两个气膜孔的过程中冷却气流也发生了上扬，在尾迹通过后才重新贴回壁面分析流场压力分布可以知道，在激波到达前后，压力经历了高—低一高的变化过程，从而使得冷却气流从贴壁到上扬，再被压制回壁面。

而尾迹经过时，由于尾迹形成的低速区使得冷却气流上扬，甚至由于第一个气膜孔的冷却气流上扬造成低速回流区，使得第二个气膜孔的部分冷气发生流向上游的搿逆流’’从图7(6／301")与图8(26／30T)日-J"P_．)发现一个现象，在这之间的时间内，吸力面第一个气膜孔的冷却气流全部向吸力面流去；而在另外的时间内，吸力面第一个气膜孔的冷却气流分别流向吸力面和压力面，即发生了“分流”经分析可以知道，吸力面第一个气膜孔的冷却气流发生“分流一是由于尾迹引起的在尾迹扫过叶片头部的过程中，尾迹形成的低速区也从吸力面转移到压力面当大部分低速区都转移到压力面时，主流的滞止点向吸力面移动，停留在前缘附近吸力面第一个气膜孔上，从而使冷却气流发生“分流”，一部分冷却气流流向压力面在尾迹完全离开叶片头部后，“分流”现象消失，冷却气流全部流向吸力面这与气膜孔位置靠近前缘有关从图9至图14可以看出，引入气膜后，与无气膜情况相比．壁面换热量均出现了不同程度的下降比较特殊的是压力面上第一观察点，其壁面换热量下降不大这跟观察点的位置有关压力面上第一观察点刚好位于吸力面第一个气膜孔和压力面第一个气膜孔之间，大部分时间并无气膜覆盖。

只有在吸力面第一个气膜孔发生“分流”现象时才有部分冷却气流覆盖该点，而在这段时间内换热量下降较快另外值得注意的是引入气膜后，换热量随时间变化的波形与无气膜时相比发生了很大的变化，其波峰、波谷跟无气膜时的位置不同在气膜的覆盖下，壁面的换热量受主流场的影响减小5．结论’非定常激波和尾迹经过气膜孔的过程中，冷却气流上扬进入主流；激波和尾迹经过后，冷却气流重新被压制回壁面尾迹经过前缘附近的气膜孔时，其形成的低速区很有可能使得冷却气流发生“分流”在气膜冷却设计时必须谨慎选择气膜孔位置有气膜冷却情况下的壁面换热量比无气膜时有不同程度的下降引入气膜后，换热量随时间变化的趋势与无气膜时相比发生了很大的变化在气膜的覆盖下，壁面的换热量受主流场的影响减小参考文献．[1]D．J．DoortyM．L．GOldfieldSimulationoftheEffcc缸ofShockWavePassingonaTurbineRotorBlade．ASMEJournalofEngineeringforGasTurbineandPower1985，107998-1006[2]D．J，DoorlyM．L．GOldfield，SimulationofWakePassinginaStationaryTurbineRotorCascadeJ．PropulsionandPowerV01．INo．4，P．316【3】D．J．DooflyM．L．GOldfield。

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