基于fnm的葉片氣膜冷卻三維數(shù)值模擬

為了提高汽輪箱的可靠性和輸出，平均進口溫度不斷增加?，F(xiàn)代先進汽輪箱的平均進口溫度一般約為1800k，這遠遠超過了金屬葉片的承受溫度。因此，有必要使用高效的冷卻方法對透平葉片進行冷卻。特別是第一級靜葉前緣區(qū)域,由于直接受到燃燒室高溫燃氣的沖擊,通常是熱負荷最大的區(qū)域,而且該區(qū)域存在主流滯止、幾何外形復雜,以及多排氣膜冷卻孔相互干擾等因素影響,其流動狀況非常復雜。因此,前緣氣膜冷卻設計也是最困難的。數(shù)值模擬是研究氣膜冷卻機理的重要手段,很多國內(nèi)外研究者采用數(shù)值模擬的方法對透平葉片前緣氣膜冷卻問題進行了大量的研究。Garg和Gaugler對帶有6排冷卻孔的VKI葉片進行了數(shù)值模擬,研究冷氣溫度和流量對葉片表面絕熱效率的影響。Lakehal等人采用帶有壁面函數(shù)的標準k-ε模型,對對稱葉片前緣氣膜冷卻的流場和溫度場進行預測,發(fā)現(xiàn)氣膜冷卻效率與實驗值差別較大,利用Bergeles各向異性修正后得到很好的結(jié)果。York和Leylek對葉片前緣氣膜冷卻進行了數(shù)值模擬,研究橢圓形前緣三排孔氣膜冷卻效率的分布。Bohn等數(shù)值模擬了帶有前緣氣膜冷卻的AGTB葉片的三維流動分布,分析了冷氣腔對射流孔出口流動的影響。顏培剛等人采用具有TVD性質(zhì)的三階精度有限差分格式及多區(qū)網(wǎng)格技術分析了在前緣滯止區(qū)域附近冷氣射流的運動規(guī)律、絕熱冷卻效率的分布特點以及氣膜冷卻對透平氣動參數(shù)的影響。Rozati等采用大渦模擬的方法分析了前緣冷卻射流的渦系結(jié)構(gòu),并對兩種不同射流邊界條件的計算結(jié)果進行了研究比較。戴萍等人采用不同的雙層k-ε模型對葉片前緣雙排孔氣膜冷卻效率進行了數(shù)值模擬,研究在不同吹風比下的流場和氣膜冷卻效率的分布規(guī)律。本文基于全三維N-S方程隱式求解,以圓柱形前緣模型為研究對象,采用FNM(fullnon-match,完全非匹配)分區(qū)重疊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格來處理主流場網(wǎng)格,冷氣腔網(wǎng)格與射流場網(wǎng)格之間數(shù)據(jù)傳遞的問題,研究前緣不同交錯孔排冷氣射流對流場及氣膜冷卻效果的影響。由于前緣區(qū)域幾何形狀比較復雜,采用分區(qū)重疊網(wǎng)格可以把主流場網(wǎng)格和射流孔網(wǎng)格分別獨立生成,在射流孔網(wǎng)格改變的情況下不必重新生成主流場網(wǎng)格,為數(shù)值計算提供方便。1計算物理模型和數(shù)值的方法1.1數(shù)值模擬系統(tǒng)及驗證分析流動的控制方程為可壓縮Reynolds平均的三維Navier-Stokes方程,其中分別描述了流動介質(zhì)的質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒。由于q-ω模型的計算量相對較少,邊界條件處理簡單,又能適應粗糙的初始湍流流場,因此本文采用了Coakley的q-ω雙方程湍流模型。數(shù)值計算格式采用了LU-SGS-GE(loweruppersymmetricGaussSeidelGaussianelimination)隱式格式和改良型高分辨率MUSCLTVD(monotoneupstream-centredschemeforconservationlawstotal-variation-diminishing)格式以加快收斂速度并提高解的精度和分辨率。射流孔與主流區(qū)及冷氣腔之間的數(shù)據(jù)交換采用FNM方法,文和分別針對平面葉柵和平板氣膜冷卻進行了數(shù)值模擬,驗證了該方法的可行性和可靠性。采用FNM方法可以使得射流網(wǎng)格、主流網(wǎng)格及冷氣腔網(wǎng)格三種網(wǎng)格相互獨立,單獨改變射流網(wǎng)格不會影響到其他網(wǎng)格結(jié)構(gòu),這不僅可以非常方便地對射流的各個參數(shù)進行調(diào)整,而且節(jié)省了做網(wǎng)格的工作量。1.2結(jié)果分析和計算域圖1所示為圓柱形前緣幾何模型,前緣設置兩排交錯孔,孔徑d為6.3mm,孔與孔之間的距離為S=7.64d。圓柱形前緣半徑50.8mm,前緣壁厚25mm,第二排孔與第一排孔夾角為25°。第一排孔沿展向分別呈15°、20°和25°,第二排沿展向均呈20°,三種排列分別記為方案1、方案2和方案3。坐標系如圖1所示,前緣滯止線位于x/d=0。計算域如圖1虛線所示,滯止線附近簡化為4個半孔,第二排孔簡化為3個孔,滯止線為對稱邊界。主流和射流進口均給定總溫總壓,出口給定背壓,主流速度約為40m/s,溫度約為290K,壁面和前緣型面均為絕熱無滑移邊界,主流進口湍流度為0.5%,計算域下端面均為對稱邊界。主流區(qū)和射流區(qū)沿葉高方向的兩組端面均設為周期性邊界。冷氣腔壁面為絕熱無滑移邊界,冷氣溫度為166K,射流和主流的密度比為1.8。實驗中,吹風比是用來衡量冷卻氣體的流量,定義為M=(ρfuf)/(ρ∞u∞).(1)Μ=(ρfuf)/(ρ∞u∞).(1)其中:ρf為冷卻射流密度,uf為冷卻射流速度,ρ∞和u∞分別為主流氣體的密度與流速。本算例考察不同吹風比下不同孔排結(jié)構(gòu)對冷卻效果的影響,吹風比為1.0、2.0。計算網(wǎng)格為分區(qū)結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,如圖2所示。計算域包括主流場、冷卻孔和冷氣腔。主流場網(wǎng)格由一個H型網(wǎng)格和一個C型網(wǎng)格組成,冷氣腔網(wǎng)格為一個H型網(wǎng)格,兩種射流孔網(wǎng)格分別由一個C型網(wǎng)格和H型網(wǎng)格和一個O型網(wǎng)格和H型網(wǎng)格組成。射流孔網(wǎng)格分別和主流場網(wǎng)格及冷氣腔網(wǎng)格相交疊。2待壓風孔格局變化的射流/用源料和風力流源內(nèi)壓力源分析定義絕熱壁面有效溫比(絕熱效率)為η=(Tg?Tw)/(Tg?Tf).(2)η=(Τg-Τw)/(Τg-Τf).(2)式中:η為氣膜冷卻絕熱效率;Tg為主流溫度;Tw為絕熱壁溫;Tf為射流注入溫度。定義量綱一溫度Θ來觀察流場中溫度場的分布Θ=(T?Tg)/(Tf?Tg).(3)Θ=(Τ-Τg)/(Τf-Τg).(3)通過定義可知壁面的量綱一溫度Θ即為絕熱效率η。圖3所示為不同吹風比下x/d=0截面上量綱一溫度分布及流線圖。主流在到達前緣滯止線附近區(qū)域后,受到第一排孔射流影響使得主流得到較強的展向動量分量(z方向)沿展向運動。在M=1.0、射流角度較小時(15°,20°),第一排孔的冷氣射流射入主流場后由于主流的抑制作能夠迅速附壁并沿展向向相鄰孔運動。但在射流角度為25°時,由于射流有較強的逆主流動量分量(y方向),射流在流出后立即脫離壁面沿展向流動,在距離孔右側(cè)約2d處由于主流的抑制作用下重新附壁。當吹風比增大至2.0時,射流角度為15°和20°下冷氣依然很好地附壁,但由于逆主流動量分量的增加,冷氣區(qū)范圍較吹風比為1.0時有明顯增大,而射流角度為25°時可以看到回流區(qū)明顯增大,在距離孔右側(cè)約4d處才重新附壁。圖4為不同吹風比下壁面絕熱效率及極限流線分布。射流在流出孔后會產(chǎn)生腎形渦系,會將附近區(qū)域的主流卷吸至壁面,使得在孔出口附近溫度升高冷卻效率降低。該卷吸作用隨著射流角度及吹風比的增大而增強。在滯止線附近區(qū)域,由于冷氣動量影響大于主流動量影響,第一排冷氣射流先沿展向運動,再在主流的不斷作用下沿流向運動(x方向)。射流角為25°時,孔出口卷吸作用使得主流對射流的影響增強,較之射流角15°和20°時更容易地沿流向運動。由于曲面加速作用使得第二排附近區(qū)域壓力要小于滯止線區(qū)域,第二排孔冷氣流量要略大于相同射流角度的第一排孔,使得該區(qū)域卷吸作用更為明顯,并且由于主流加速作用,第二排孔附近主流的流向動量要大于滯止線區(qū)域,最終使得第二排孔冷氣在孔出口處立即向流向運動。當吹風比為1.0時,第一排冷氣在沿流向運動至第二排孔出口處并沒有冷卻第二排孔間隔區(qū)域,導致這部分冷氣浪費。當吹風比增大至2.0時,由于冷氣流量及展向動量隨之增大,使得第一排冷氣沿展向偏移,擴大了第二排孔間隔區(qū)域的冷卻面積。從圖4中可以看出,第一排射流角為15°時壁面冷卻范圍最大,而射流角25°時壁面冷卻范圍最小。此外,由于冷氣流量的增加,腎形渦卷吸作用的增強,使得主流熱流的摻混作用也隨之增強,導致孔出口處的冷卻效率降低。圖5顯示了不同吹風比下壁面展向平均的絕熱效率沿流向分布曲線,其中x/d=0～0.5表示第一個孔,x/d=3.02～4.02表示第二個孔。從圖中可以清楚地看到方案3的冷卻效果是三種孔排結(jié)構(gòu)最差的,而方案1的冷卻效率要略高于方案2。在第二排孔下游,三種孔排結(jié)構(gòu)下降趨勢基本一致,而在第一排孔與第二排孔之間區(qū)域,方案1和方案2下降均比方案3要劇烈,并且對于方案1和方案2第二排孔出口的冷卻效率要明顯低于第一排孔出口。這是由于在方案1和方案2孔排結(jié)構(gòu)中,第一排孔冷氣相對于第二排孔附壁效果好,且第二排孔的間隔區(qū)域大部分沒有被很好地冷卻,使得這一區(qū)域冷卻效率低于第一排孔出口處。而方案3第一排冷氣存在明顯的脫離再附過程,導致第二排孔和第一排孔出口的冷卻效率差別不大。隨著吹風比的增大,由于冷卻范圍的增大,在壁面大部分區(qū)域三種孔排結(jié)構(gòu)的冷卻效率也隨之升高。3中風力比對冷卻效果的影響本文采用FNM形式的結(jié)構(gòu)化計算網(wǎng)格,并使用LU-SGS-GE隱式時間推進算法及改良型高精度、高分辨率的MUSCL-TVD差分格式對透平葉片前緣雙排孔氣膜冷卻進行數(shù)值模擬分析。計算結(jié)果表明看出第一排孔冷氣射流角度對冷卻效果影響明顯,小射流角度由于冷氣容易附壁使得冷卻效果好,當角度增大至25°時冷氣發(fā)生脫離再附過程使得冷卻效率明顯降低。第一排孔冷氣受到主流的影響較小,射流方向先沿展向流動再沿流向流動,第二排孔冷