通道內(nèi)有射流、出流和旋流共同作用時(shí)的流動(dòng)與換熱特性研究.pdf

1、隨著鑄造技術(shù)的發(fā)展，在渦輪葉片內(nèi)部已經(jīng)可以鑄造出更微小的冷卻通道，并且可以在微小通道中使用沖擊冷卻。沖擊冷卻有著較高的換熱效率，可以大幅提高壁面的局部換熱系數(shù)，射流沖擊還可以在冷氣通道內(nèi)形成強(qiáng)烈的旋渦，從而使整個(gè)通道內(nèi)的換熱效果得到進(jìn)一步的改善。本文以渦輪葉片內(nèi)部梯形受限冷氣通道為對象，綜合考慮了射流/旋流/溢流的復(fù)合作用，在放大模型上詳細(xì)研究了通道、出流孔內(nèi)的流動(dòng)特性以及靶面、出流側(cè)壁面上的換熱特性，并獲得了各孔排的流量系數(shù)。在實(shí)驗(yàn)研

2、究基礎(chǔ)上，本文還進(jìn)行了相應(yīng)的數(shù)值模擬研究，以深入了解該冷卻結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化換熱機(jī)理。 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ头譃榱鲃?dòng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛽Q熱實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢煞N。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯ǖ澜孛鏋樘菪危谔菪我粋?cè)側(cè)壁上開有兩排錯(cuò)排分布的射流孔，氣流由射流孔進(jìn)入通道。另一側(cè)壁上有一排出流孔。在通道底部的靶面上，有3排復(fù)合傾斜的氣膜孔。同時(shí)在通道一側(cè)的端壁上開設(shè)有一個(gè)直徑很大的端頭出流孔。換熱模型與流動(dòng)模型的通道截面形狀及幾何尺寸相同，但通道長度約為流動(dòng)模型的60％，并且靶面上沒有氣膜

3、孔。在兩個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭校淞鹘嵌染?5°和45°兩種情況。在上述模型中，主要研究了射流入射角度、出流比以及射流雷諾數(shù)的變化對通道和側(cè)壁出流孔內(nèi)的流動(dòng)特性和靶面、出流側(cè)壁面上換熱特性的影響規(guī)律。其中流動(dòng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷睦字Z數(shù)范圍為15000～30000，端頭出流比為0.25和0.5；換熱實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷睦字Z數(shù)范圍為10000～40000，端頭出流比范圍為0～0.5。 經(jīng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，得出以下主要結(jié)論： 1．梯形通道內(nèi)形成了很強(qiáng)的旋

4、流流動(dòng)，小射流對靶面具有較好的沖擊作用，而大射流則對通道內(nèi)的旋流起到了很好的促進(jìn)作用，大、小射流間存在較強(qiáng)的相互作用；側(cè)壁出流孔內(nèi)的流動(dòng)充滿度較低，這預(yù)示了較低的流量系數(shù)； 2．通道端頭出流在通道內(nèi)形成的橫流對該冷卻結(jié)構(gòu)的流動(dòng)特性及換熱特性有著重要影響。在通道下游，橫流加速了大射流與通道旋流的融合，削弱了小射流對靶面的沖擊作用，提高了通道截面內(nèi)的流動(dòng)充滿度；對于側(cè)壁出流孔，橫流使其入流條件惡化，增加了入口流動(dòng)損失，使孔內(nèi)出現(xiàn)回流

5、現(xiàn)象，孔流量系數(shù)迅速減少；較強(qiáng)的橫流嚴(yán)重削弱了靶面沖擊換熱核心區(qū)的換熱能力，在部分工況下甚至使沖擊換熱核心區(qū)消失，而對于出流側(cè)壁面的換熱性能，橫流的影響相對較小。 3．射流入射角度對通道內(nèi)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)和靶面上的局部Nu數(shù)影響較大。較小的射流入射角度容易促進(jìn)通道內(nèi)旋流的形成與發(fā)展，對提高通道內(nèi)的流動(dòng)充滿度有積極作用，可以改善側(cè)壁出流孔的入流條件，但會(huì)減弱射流對橫流作用的抵抗能力；較大的射流入射角度會(huì)提高靶面的換熱能力，但使出流側(cè)壁面

6、的換熱能力略有下降。 4．射流雷諾Re的變化對通道和側(cè)壁出流孔內(nèi)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)沒有明顯影響，但對靶面和出流側(cè)壁面上的換熱特性有著顯著影響。Re的增加將大幅提高換熱面上的換熱能力，但隨著Re的不斷增加，換熱面上換熱強(qiáng)度的提高程度將逐漸減小。 5．氣膜孔出流量和出流位置的改變對通道和側(cè)壁出流孔內(nèi)的流場影響很小，但會(huì)影響到氣膜孔流量系數(shù)的分布；通道端頭出流的增加使側(cè)壁出流孔和射流孔的流量系數(shù)減?。簧淞魅肷浣堑淖兓粚Σ糠挚椎牧髁肯?/p>

7、數(shù)數(shù)值略有影響，但不會(huì)影響其分布規(guī)律。 6．在本文研究的冷卻結(jié)構(gòu)中，旋流的強(qiáng)化換熱能力接近甚至超過了沖擊冷卻的強(qiáng)化作用；與光滑管流條件下的通道壁面換熱相比，本結(jié)構(gòu)中靶面和出流側(cè)壁面上的換熱能力是相同通道雷諾數(shù)條件下光滑管流換熱能力的2～3倍。 7．利用數(shù)值模擬方法可以對流動(dòng)和換熱問題進(jìn)行預(yù)測，在本文所采用的湍流模型及壁面函數(shù)處理方法下，有關(guān)流動(dòng)特性的計(jì)算結(jié)果與相應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合的較好；而對于換熱特性，計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果在局