开槽圆柱孔气膜冷却流场的数值模拟

发布时间：2020-08-13 01:57

【摘要】：燃气轮机因其轻小,应用广泛,一直以来在航空、发电以及各种工业中占有重要的地位。为了降低涡轮叶片表面温度,气膜冷却成为现代燃气轮机热端部件设计最重要的冷却方式之一,而孔型对提高气膜冷却效率又是极其重要的,因此找到冷却效率高的孔型,并且研究它的流动机理至关重要。由于计算机技术的快速发展,对计算机硬件要求高的模拟方法像大涡模拟逐渐被应用,从而能够在流动机理上更深入的研究涡系结构对气膜冷却效果的影响。为了更接近实际情况,越来越多的学者转向流固耦合的研究。本文运用了大涡模拟和流固耦合的方法对开槽圆柱孔进行研究,为工程实际提供有效的参考数据。具体研究内容如下:首先,采用大涡模拟的方法对开槽圆柱孔横向紊动射流流动进行数值模拟分析,与相同工况下圆柱孔流场的涡系结构以及传热特性进行比较,从而揭示其流动机理。计算结果表明:圆柱孔开槽之后主流和射流更加剧烈掺混,反向旋涡对被扭转,进而涡系机构被紊乱,最终使冷气无法抬升,所以提高冷却效率;由于圆柱孔开槽的作用,冷却气体在槽内进行充分扩散,相比圆柱孔使轴向冷却范围更大;根据涡量等值线的分析,K-H(Kelvin-Helmholtz)不稳定性改变了主流和二次流交界面的速度方向和大小,进而影响反向旋涡对的形成。其次,研究了对流和导热共同作用情况下的流固耦合流动机理。基于RNG k-ε湍流模型和SIMPLEC算法,对开槽圆柱孔在耦合情况下进行数值模拟,选取吹风比为1、1.25和1.5三种工况进行计算。结果表明:当吹风比为1时冷却气体更能有效的贴附壁面,冷却效果最好。最后,以吹风比M=1的工况为研究对象,探究了不同导热系数对气膜冷却的影响,以及绝热与流固耦合传热时温度分布对比情况。研究表明:相比绝热情况,耦合传热的壁面不仅冷却效率比较高,冷却范围更加宽且均匀,更接近实际。随着导热系数的增加,固体壁面区域冷却效果越好,当增大到一定数值时,整个壁面的冷却效率几乎趋于一致,导热占主导作用,但是对速度场几乎没有影响。
【学位授予单位】：东北电力大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK471
【图文】：

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题背景及意义机是继蒸汽轮机和内燃机广泛发展与应用之后一套复杂的动力机械个国家高新科技水平，在保护国家安全、改善能源使用比例和实现具有重要意义。燃气轮机因其起动速度快、质量比较轻、几乎不用性能稳定等方面的特点，自 20 世纪 30 年代开始应用以后发展迅速工业动力、战车动力等军民领域占有非常大的比重，对生产等等各膜冷却概述却[1-3]在冷却涡轮叶片起着关键性作用，是现代燃气轮机设计最重要燃气轮机进口温度超出材料所能承受的限制，会使材料的使用寿命术主要应用于燃气轮机承受高温零部件上，大大的减少了燃气轮机高温部件寿命的具有重要意义。

冷却叶片,端壁,扰流柱

图 1-2 典型的冷却叶片的燃气轮机冷却叶片结构，从图中我们可以看出，被入燃气轮机端壁部分，同时端壁上布有不同倾斜角不从气膜孔出来的同时，达到冷却端壁作用。其他冷却扩散，交换一部分热量，最后从布满小孔的叶片喷射尾缘会有扰流柱，这些冷的气体被扰流柱扰动，加强气和高温气体充分混合后，流动结构复杂，在其间会有二次流，此外还会产生顶部流和马蹄涡等等。

圆柱孔,涡轮发动机,气膜冷却,旋涡

图 1-2 典型的冷却叶片图 1-2 是典型的燃气轮机冷却叶片结构，从图中我们可以看出，被压气机压缩后体通过小孔进入燃气轮机端壁部分，同时端壁上布有不同倾斜角不同排布的小孔壁的冷却气体从气膜孔出来的同时，达到冷却端壁作用。其他冷却气体会沿着叶冷却通道不断扩散，交换一部分热量，最后从布满小孔的叶片喷射出来，形成一膜，在叶片的尾缘会有扰流柱，这些冷的气体被扰流柱扰动，加强了换热，也可却的目的。冷气和高温气体充分混合后，流动结构复杂，在其间会有大量的旋涡出 1-2 中表示的二次流，此外还会产生顶部流和马蹄涡等等。

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