多种因素对气膜冷却及流场特性影响的数值模拟研究
发布时间：2021-08-25 06:52
本文用大涡模拟（Large Eddy Simulation,LES）方法模拟了横向定常射流与合成射流入射时多种因素对气膜冷却效率的影响。论文模拟了不同入射角、不同入射孔的排布方式以及不同孔型、不同吹风比、不同雷诺数对定常射流入射的气膜冷却效率的影响。结果显示:吹风比为0.5、入射角为30°、扇形孔入射、双排插排孔入射以及低雷诺数下的气膜冷却效果较好。本课题还分析讨论了不同吹风比、不同孔型、不同斯特劳哈尔数（Strouhal number,St）以及插排入射时孔排的入射次序对横向合成射流气膜冷却效果的影响。结果显示:吹风比（blowing ratio,M）为2.5、扇形孔入射以及斯特劳哈尔数St=0.22所对应的气膜冷却效果最好。同时发现,无论是定常射流还是合成射流,顺排入射和插排入射都表现出了很强的互补性,二者结合能够更好地同时提高近场及远场的冷却效率。最后对两种射流入射时流场中的涡结构进行研究,结果显示:一、定常射流入射时,涡结构会影响射流的核心和大小,进而影响气膜冷却效果;多孔入射的涡结构会造成射流之间的相吸作用,使气膜覆盖更加均匀;两种流体掺混时射流会导致射流的抬升,反向旋转涡对...
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
燃气轮机叶片冷却过程
中北大学学位论文2有效保护。图1-2简化的气膜冷却模型其中，气膜冷却效率的计算如公式（1-1）[7]：mpmcTTTT（1-1）其中，Tm为主流温度，Tp为壁温，Tc为冷却流的温度。该计算公式也可以理解为冷却流散布和保护壁面程度的量度。1.2国内外研究现状在气膜冷却过程中，会有诸多因素都对冷却效果产生不同程度的影响。其中，不乏关于冷却流进入环境流体的角度，即入射角α方面的研究。以双壁冷却翼型为例，为了提高冷却效率，其冷却结构包括内部负载结构板和外部热屏蔽板，而内部负载结构板的厚度通常是外部热屏蔽板的两到三倍，这一结构主要是为了使冷却孔的长径比变大（通常大于1），这种情况可以通过一些典型的几何布置实现，例如孔口被加工到内部负载结构中，并与表面呈非法线角度，这样当对圆形冷却孔施加一个倾斜角时，传热图形会由圆形变为椭圆形，使得冷却流入射时流向方向的动量更大[2]。根据上述研究，一定范围内的倾斜入射对提高冷却效果是有好处的。Liu和Folkersma[3][4]针对入射角问题结合吹风比给出了具体的数值方面的气膜冷却结果的比较，当入射角α=30°时，绝热效率随吹风比的增大而增大。其中，当吹风比在0.5附近时，绝热效率达到峰值，之后绝热效率逐渐减小至保持不变；而当入射角α=60°时，绝热效率曲线的变化趋势与α=30°相同但气膜冷却效率的数值整体比α=30°时要校Chen[5]的实验结果表明，射流与主流的同向率越大，即冷却射流入射横向流场时，入射角越小，肾形涡的强度越低，气膜对壁的附着效果越好。除了入射角之外，通过改变孔型进而改善气膜冷却效率的研究也不在少数，得出的主要结论有：在冷却剂流速相同时，圆孔较之方孔冷却效果更好[6]；扇形孔与圆孔
中北大学学位论文7图1-3本文章节结构图本文其余章节内容安排如下：在第二章中确定该问题的控制方程和数值模拟方法，运用ICEM软件绘制网格并对结果进行网格无关性验证，对选用的数值模拟模型进行正确性验证，以及根据网格尺寸及边界条件对时间步长进行设置；在第三章中确定模拟中所需的物理模型，即在数值模拟过程中的计算域，以及对边界条件进行设置，并且对定常射流入射条件下不同的影响因素包括入射角、孔型、孔的排布方式、吹风比以及雷诺数对气膜冷却效果的影响进行了数值模拟并量化为冷却效率曲线得出每种情况下的最优解；本文的第四章参照前人关于合成射流的研究，结合第三章在定常射流入射条件时得出的气膜冷却结果，分析了合成射流入射条件下不同吹风比、不同
【参考文献】：
期刊论文
[1]吹风比对涡轮叶片尾缘气膜冷却效率影响[J]. 李广超,于全朋,张魏,寇志海. 热力发电. 2018(10)
[2]扇形孔气膜冷却效果的数值模拟[J]. 杨晓军,张骁峰,刘智刚. 机械工程与自动化. 2017(02)
[3]孔型对平板气膜冷却效率影响的数值模拟[J]. 张玲,王冲. 热力发电. 2015(04)
[4]不同孔形气膜冷却效率的数值模拟[J]. 戴萍,林枫. 中国电机工程学报. 2010(14)
[5]Console形气膜孔改善冷却效率的数值研究[J]. 姚玉,张靖周,周楠. 航空动力学报. 2008(10)
[6]不同孔型平板气膜冷却的数值模拟[J]. 李少华,宋东辉,刘建红,王虎,郭婷婷. 中国电机工程学报. 2006(17)
博士论文
[1]可压缩横向射流和旋拧射流的大涡模拟研究[D]. 王国蕾.中国科学技术大学 2012
硕士论文
[1]平板气膜冷却的传热特性研究[D]. 蒋兴文.清华大学 2015
本文编号：3361622
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
燃气轮机叶片冷却过程
中北大学学位论文2有效保护。图1-2简化的气膜冷却模型其中，气膜冷却效率的计算如公式（1-1）[7]：mpmcTTTT（1-1）其中，Tm为主流温度，Tp为壁温，Tc为冷却流的温度。该计算公式也可以理解为冷却流散布和保护壁面程度的量度。1.2国内外研究现状在气膜冷却过程中，会有诸多因素都对冷却效果产生不同程度的影响。其中，不乏关于冷却流进入环境流体的角度，即入射角α方面的研究。以双壁冷却翼型为例，为了提高冷却效率，其冷却结构包括内部负载结构板和外部热屏蔽板，而内部负载结构板的厚度通常是外部热屏蔽板的两到三倍，这一结构主要是为了使冷却孔的长径比变大（通常大于1），这种情况可以通过一些典型的几何布置实现，例如孔口被加工到内部负载结构中，并与表面呈非法线角度，这样当对圆形冷却孔施加一个倾斜角时，传热图形会由圆形变为椭圆形，使得冷却流入射时流向方向的动量更大[2]。根据上述研究，一定范围内的倾斜入射对提高冷却效果是有好处的。Liu和Folkersma[3][4]针对入射角问题结合吹风比给出了具体的数值方面的气膜冷却结果的比较，当入射角α=30°时，绝热效率随吹风比的增大而增大。其中，当吹风比在0.5附近时，绝热效率达到峰值，之后绝热效率逐渐减小至保持不变；而当入射角α=60°时，绝热效率曲线的变化趋势与α=30°相同但气膜冷却效率的数值整体比α=30°时要校Chen[5]的实验结果表明，射流与主流的同向率越大，即冷却射流入射横向流场时，入射角越小，肾形涡的强度越低，气膜对壁的附着效果越好。除了入射角之外，通过改变孔型进而改善气膜冷却效率的研究也不在少数，得出的主要结论有：在冷却剂流速相同时，圆孔较之方孔冷却效果更好[6]；扇形孔与圆孔
中北大学学位论文7图1-3本文章节结构图本文其余章节内容安排如下：在第二章中确定该问题的控制方程和数值模拟方法，运用ICEM软件绘制网格并对结果进行网格无关性验证，对选用的数值模拟模型进行正确性验证，以及根据网格尺寸及边界条件对时间步长进行设置；在第三章中确定模拟中所需的物理模型，即在数值模拟过程中的计算域，以及对边界条件进行设置，并且对定常射流入射条件下不同的影响因素包括入射角、孔型、孔的排布方式、吹风比以及雷诺数对气膜冷却效果的影响进行了数值模拟并量化为冷却效率曲线得出每种情况下的最优解；本文的第四章参照前人关于合成射流的研究，结合第三章在定常射流入射条件时得出的气膜冷却结果，分析了合成射流入射条件下不同吹风比、不同
【参考文献】：
期刊论文
[1]吹风比对涡轮叶片尾缘气膜冷却效率影响[J]. 李广超,于全朋,张魏,寇志海. 热力发电. 2018(10)
[2]扇形孔气膜冷却效果的数值模拟[J]. 杨晓军,张骁峰,刘智刚. 机械工程与自动化. 2017(02)
[3]孔型对平板气膜冷却效率影响的数值模拟[J]. 张玲,王冲. 热力发电. 2015(04)
[4]不同孔形气膜冷却效率的数值模拟[J]. 戴萍,林枫. 中国电机工程学报. 2010(14)
[5]Console形气膜孔改善冷却效率的数值研究[J]. 姚玉,张靖周,周楠. 航空动力学报. 2008(10)
[6]不同孔型平板气膜冷却的数值模拟[J]. 李少华,宋东辉,刘建红,王虎,郭婷婷. 中国电机工程学报. 2006(17)
博士论文
[1]可压缩横向射流和旋拧射流的大涡模拟研究[D]. 王国蕾.中国科学技术大学 2012
硕士论文
[1]平板气膜冷却的传热特性研究[D]. 蒋兴文.清华大学 2015
本文编号：3361622
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