葉片外部換熱實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究

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(西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院，陜西 西安 710072)

葉片外部換熱實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究

許潤(rùn)紅，許衛(wèi)疆，劉聰

(西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院，陜西 西安 710072)

在短周期跨音速傳熱風(fēng)洞上，研究不同雷諾數(shù)和壓比下無(wú)氣膜導(dǎo)葉表面換熱系數(shù)分布，并在相應(yīng)的數(shù)值模擬中分析葉柵通道渦結(jié)構(gòu)的生成與發(fā)展，研究其對(duì)葉片換熱的影響。

雷諾數(shù)；壓比；換熱系數(shù)；通道渦結(jié)構(gòu)

0 引言

隨著航空技術(shù)的快速發(fā)展，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能較過(guò)去有了大幅度的提高。提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能主要途徑是增加推力和功率。在發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸不變的前提下，渦輪進(jìn)口溫度提高55～56 ℃，發(fā)動(dòng)機(jī)推力可增加10%～13%。第五代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)將推重比的發(fā)展目標(biāo)定為15～20，屆時(shí)渦輪前的溫度將會(huì)超過(guò)2 200 K。隨著渦輪前溫度的不斷提高，使得航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪等高溫部件的工作環(huán)境嚴(yán)重惡化，導(dǎo)致其出現(xiàn)可靠性差和使用壽命短等現(xiàn)象。因此，研究其表面上流動(dòng)、溫度以及換熱分布對(duì)改善發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪等部件的可靠性有重要的作用。一些學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究[1-7]。

通過(guò)對(duì)某型高壓渦輪無(wú)氣膜導(dǎo)葉進(jìn)行表面靜壓和換熱的實(shí)驗(yàn)測(cè)量和相應(yīng)的數(shù)值模擬，研究不同雷諾數(shù)和壓比對(duì)無(wú)氣膜葉片換熱系數(shù)分布的影響，并且在數(shù)值模擬中研究葉柵通道渦結(jié)構(gòu)的發(fā)展和變化，分析通道內(nèi)渦結(jié)構(gòu)對(duì)葉片換熱的影響。為下一步渦輪導(dǎo)葉氣膜冷卻設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)在如圖1所示的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中完成。主流經(jīng)過(guò)電動(dòng)閥、快速閥和調(diào)壓閥后被分為2路，一路經(jīng)過(guò)節(jié)流閥和穩(wěn)壓腔進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段，另一路經(jīng)過(guò)引射器，最終2路氣流匯合后由消聲器排出。

在項(xiàng)目組前期的研究中已驗(yàn)證了該短周期風(fēng)洞的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蜏y(cè)量方法的可靠性。

圖1 實(shí)驗(yàn)原理

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 數(shù)值模型

利用商用軟件ANSYS CFX 13.0的全隱式穩(wěn)態(tài)求解器來(lái)求解三維定常粘性的雷諾平均N-S方程組，求解格式采用二階精度的迎風(fēng)格式，所有參數(shù)的殘差標(biāo)準(zhǔn)為10-6。針對(duì)葉片表面邊界層的轉(zhuǎn)捩，湍流模型采用耦合轉(zhuǎn)捩模型的SST模型。

2.2 計(jì)算網(wǎng)格及邊界條件

采用網(wǎng)格前處理器Gambit對(duì)葉柵通道進(jìn)行劃分網(wǎng)格，生成六面體非結(jié)構(gòu)化體網(wǎng)格，并且在葉片表面添加邊界層。為了研究端壁對(duì)葉片換熱的影響，在葉高方向上接近上下端壁的區(qū)域處加密網(wǎng)格。計(jì)算網(wǎng)格如圖2所示。進(jìn)行了幾套不同網(wǎng)格密度的計(jì)算，計(jì)算表明，其誤差不超過(guò)2%。

圖2 計(jì)算網(wǎng)格

設(shè)葉柵通道內(nèi)流體為理想氣體，氣體分子粘性系數(shù)及導(dǎo)熱系數(shù)由Sutherlands公式求得。進(jìn)口給定總壓、總溫以及來(lái)流湍流度，總溫為300 K，湍流度為5%；出口給定靜壓；葉片表面為光滑無(wú)滑移，并且給定恒定壁溫，其值為350 K。采用平移周期性邊界條件，因此，只需要求解一個(gè)葉柵通道。

2.3 參數(shù)定義及實(shí)驗(yàn)工況

葉柵入口雷諾數(shù)為：

(1)

ρ，μ分別為氣體密度和動(dòng)力粘度；vin為葉柵入口流體的平均速度；L為葉柵弦長(zhǎng)。

葉柵壓比為：

Pr=p*/p2

(2)

p*為葉柵的進(jìn)口總壓；p2為葉柵的出口靜壓。

葉片表面壓力系數(shù)為：

(3)

p為葉柵中測(cè)點(diǎn)處流體的靜壓；p1為入口流體靜壓；ρ為氣體密度；vin為進(jìn)口流體的平均速度。

工況所涉及的雷諾數(shù)分別為170 000、370 000和570 000，壓比為1.3、1.4、1.5、1.72和1.92。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

3.1 雷諾數(shù)對(duì)換熱系數(shù)的影響

為了進(jìn)一步了解和分析實(shí)驗(yàn)中的一系列現(xiàn)象，因此，進(jìn)行了與實(shí)驗(yàn)相對(duì)應(yīng)的數(shù)值計(jì)算。圖3為不同雷諾數(shù)在Pr=1.7時(shí)，中截面上換熱系數(shù)的分布。

從圖3可以看出，計(jì)算與實(shí)驗(yàn)所得到的換熱系數(shù)分布趨勢(shì)相似，因此，可以用數(shù)值計(jì)算來(lái)進(jìn)行定性的分析。在壓力面上，不同雷諾數(shù)下?lián)Q熱系數(shù)變化趨勢(shì)相似。除了較大雷諾數(shù)下壓力面后段區(qū)域，其他區(qū)域的邊界層主要處于層流狀態(tài)。在壓力面開(kāi)始流體為層流，隨著邊界層逐漸增厚，換熱系數(shù)逐漸下降。由于后半段較大的順壓梯度以及可能發(fā)生邊界層轉(zhuǎn)捩，換熱系數(shù)逐漸增大。

圖3 實(shí)驗(yàn)與計(jì)算得到的換熱系數(shù)分布對(duì)比

在吸力面的前半段，層流邊界層逐漸加厚，因此，換熱系數(shù)逐漸下降。由于吸力面前半段存在較強(qiáng)的順壓梯度，因此，會(huì)發(fā)生邊界層的轉(zhuǎn)捩。邊界層從層流逐漸過(guò)渡到湍流，換熱系數(shù)逐漸增加。隨著雷諾數(shù)的增加，吸力面轉(zhuǎn)捩起始點(diǎn)向上游移動(dòng)。轉(zhuǎn)捩結(jié)束后，在吸力面的后半段隨著湍流邊界層逐漸加厚，換熱系數(shù)逐漸下降。在Re=170 000時(shí)，從轉(zhuǎn)捩開(kāi)始一直到吸力面的后半段都處于過(guò)渡區(qū)，因此，在吸力面后半段換熱系數(shù)逐漸增大。

3.2 壓比對(duì)換熱系數(shù)的影響

通過(guò)改變壓比來(lái)計(jì)算葉片中截面上的換熱系數(shù)分布，如圖4所示。從圖4可以看出，隨著壓比降低，吸力面后半段換熱增強(qiáng)。這是因?yàn)樵谛罕认挛γ孢吔鐚愚D(zhuǎn)捩結(jié)。

圖4 改變壓比計(jì)算得到的換熱系數(shù)分布

束后局部雷諾數(shù)大于大壓比下的雷諾數(shù)。從圖4也可以看到，當(dāng)壓比等于1.9時(shí)，在吸力面接近尾緣部分換熱系數(shù)有先降低后升高的變化趨勢(shì)。圖5是入口雷諾數(shù)為3.7×105，吸力面相對(duì)弧長(zhǎng)為0.852 8處，3個(gè)不同壓比在垂直葉片表面方向不同位置上的局部雷諾數(shù)分布。

圖5 在垂直葉片方向上不同位置處雷諾數(shù)的分布

圖6，圖7是Re=370 000，Pr=1.92時(shí)中截面上的Ma分布云圖和速度矢量圖。從圖6中可以看出，在吸力面后半段區(qū)域Ma大于1.2，產(chǎn)生激波。隨后出現(xiàn)逆壓力分布，因此，在此區(qū)域出現(xiàn)了換熱系數(shù)的突然變化。

影響L1截面的旋渦是馬蹄渦、分離渦和壁角渦，影響L0、P1截面的是馬蹄渦壓力面分支，影響P2、P4截面的旋渦是通道渦，影響L2和L4截面的是馬蹄渦吸力面分支，影響S2截面的旋渦結(jié)構(gòu)是通道渦，影響S3、S5截面的旋渦是通道渦和尾跡渦。

圖6 中截面Ma分布

圖7 吸力面后半段的速度矢量

3.3 葉柵通道內(nèi)的渦結(jié)構(gòu)

為了研究葉柵通道內(nèi)渦結(jié)構(gòu)的形成、發(fā)展以及其對(duì)葉片上換熱系數(shù)的影響，截取了葉柵通道內(nèi)不同位置處的流線(xiàn)，如圖8所示。

圖8 葉柵通道各截面位置

從圖9可以看到，尺度很大以及順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的渦結(jié)構(gòu)為馬蹄渦；一個(gè)尺度小、順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的渦結(jié)構(gòu)為分離渦；葉片前緣與端壁夾角處存在一個(gè)尺度小、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的渦結(jié)構(gòu)為壁角渦。從圖10可以看出，馬蹄渦壓力面分支是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的。從圖11可以看出，通道渦是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的。

圖9 L1截面流線(xiàn)

圖10P1截面流線(xiàn)

圖11P2截面流線(xiàn)

從圖12可看出，馬蹄渦吸力面分支是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的。圖13為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的通道渦，可以看出在近端壁處，由于通道渦的影響，流體有從端壁流向葉片中間的趨勢(shì)。從圖14可以看出，通道渦在流動(dòng)過(guò)程中逐漸向葉片中間發(fā)展。從通道渦與馬蹄渦吸力面分支作用在一起、靠近吸力面、與吸力面相切以及最后沿著吸力面向葉片中間發(fā)展，這些渦結(jié)構(gòu)對(duì)吸力面有沖擊附著作用，這樣會(huì)增強(qiáng)換熱，因此，在吸力面后半段接近端壁的區(qū)域上換熱系數(shù)增大。圖15為Re=370 000，Pr=1.72時(shí)，葉片展向上換熱系數(shù)分布云圖。其相對(duì)葉高的形式，橫坐標(biāo)整理為相對(duì)弧長(zhǎng)的形，橫坐標(biāo)整理為相對(duì)弧長(zhǎng)的形式。從圖15中可以看出，通道內(nèi)渦結(jié)構(gòu)對(duì)壓力面的換熱影響不大。

圖12L4截面流線(xiàn)

圖13S2截面流線(xiàn)

圖14S3截面流線(xiàn)

圖15 Re=370 000，Pr=1.72時(shí)，葉片上換熱系數(shù)分布

4 結(jié)束語(yǔ)

為了了解葉片外部換熱特性，對(duì)某型高壓渦輪導(dǎo)葉進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算，研究壓比以及雷諾數(shù)對(duì)葉片外部換熱的影響，同時(shí)分析葉柵通道內(nèi)渦結(jié)構(gòu)的發(fā)展與變化，研究其對(duì)葉片換熱的影響，得出以下結(jié)論：

a.隨著雷諾數(shù)的增加整個(gè)葉片表面換熱系數(shù)逐漸增大。在壓力面上，不同雷諾數(shù)下?lián)Q熱系數(shù)的變化趨勢(shì)相似。吸力面上轉(zhuǎn)捩起始點(diǎn)向上游移動(dòng)，小雷諾數(shù)時(shí)，從轉(zhuǎn)捩開(kāi)始到葉片尾緣流體還未達(dá)到湍流充分發(fā)展階段，因此，換熱系數(shù)是先降低后增大。大雷諾數(shù)時(shí)，從轉(zhuǎn)捩結(jié)束后流體處于湍流充分發(fā)展階段，湍流邊界層逐漸加厚，因此，換熱系數(shù)先降低后增大，最后又逐漸降低。

b.壓比的改變對(duì)壓力面上換熱系數(shù)分布的影響不大。在吸力面后半段，隨著壓比的增加，換熱系數(shù)逐漸降低。當(dāng)壓比為1.92時(shí)，在吸力面后半段出現(xiàn)了激波。

c.馬蹄渦壓力面分支繞過(guò)前緣很快融入到通道渦中。在葉片前緣存在壁角渦和馬蹄渦吸力面分支，馬蹄渦吸力面分支最終與通道渦作用在一起，在葉柵通道的下游通道渦向葉片中間發(fā)展，對(duì)葉片吸力面有沖擊附著作用，因此，吸力面后半段靠近端壁的區(qū)域換熱系數(shù)增大，葉柵通道中渦結(jié)構(gòu)對(duì)壓力面的換熱系數(shù)分布影響不大。

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Experimental and Numerical Investigations on Heat Transfer of Vane Surface

XURunhong，XUWeijiang，LIUCong

(School of Power and Energy，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China)

The heat transfer distribution of a vane without film hole was studied in a short-duration transonic heat transfer wind tunnel at different Reynolds numbers and pressure ratios，and the generation and development of flow vortex structure in cascade passage were numerically analyzed to study its effect on the heat transfer.

Reynolds number；pressure ratio；surface heat transfer coefficient；flow vortex structure

2014-09-03

高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金(2010610212003)

V231.1

A

1001-2257(2014)12-0012-04

許潤(rùn)紅(1990-)，女，陜西渭南人，碩士研究生，研究方向?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件的傳熱與冷卻技術(shù)；許衛(wèi)疆(1974-)，男，陜西西安人，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件冷卻，流動(dòng)和換熱數(shù)值模擬，微小通道流動(dòng)及傳熱。