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文檔簡(jiǎn)介
1、 編號(hào):062092矩形冷卻孔附近流動(dòng)的數(shù)值研究康順 馬麗 陳黨慧(華北電力大學(xué)電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 102206)摘要:為了深刻認(rèn)識(shí)冷卻孔附近的流動(dòng)結(jié)構(gòu)和旋渦生成的機(jī)理,本文數(shù)值研究了平板上不同矩形射流孔附近的局部流場(chǎng)。在給定橫向流速和吹風(fēng)比的條件下,對(duì)不同長(zhǎng)寬比的矩形垂直射流孔附近區(qū)域三維定常流動(dòng)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。并分析了冷卻孔 附近各種主要渦旋生成的機(jī)理。關(guān)鍵詞:橫流中的射流;冷卻孔;旋渦;數(shù)值模擬中圖分類號(hào): 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:NUMERICAL STUDY OF FLOW STRUCTURE NEARBY RECTANGULAR COOLING HO
2、LESKANG Shun MA Li CHENG Dang-Hui(North China Electric Power University, Key Laboratory of CMCPPE, Ministry of Education, Beijing, 102206, China)Abstract: In order to have an insight into cognize profoundly the flow structure and the generation mechanism of the vortex generation nearby the cooling h
3、oles, this paper investigate the localized flow structure of rectangular jet holes the different rectangular jet holes perpendicular to on the a flat plate is numerically investigated. Under the conditions of given cross flow speed and, given blowing ratios, study of the 3D steady flow nearby the ho
4、le exit has been carried out for and three different aspect ratios (0.5, 1.0 and 2.0)of the hole exit. , Generation mechanisms of the various vorticesthe 3D steady flow and the generation mechanism of the leading vortex nearby a rectangular jet hole perpendicular to a flat plate is numerically analy
5、zed.investigated.Key words: jet in cross flow; cooling hole; vortex; numerical simulation1. 前言為了提高循環(huán)效率,現(xiàn)代燃機(jī)不斷朝著高壓比和高渦輪入口溫度的方向發(fā)展,導(dǎo)致渦輪部件的熱載荷和機(jī)械載荷不斷增加,使得采用高效的冷卻技術(shù)成為非常迫切的需求,以確保機(jī)器的使用壽命。在每個(gè)冷卻孔的下游,冷卻介質(zhì)與高溫主流混合,使得有效的冷卻僅限于一個(gè)很小的區(qū)域內(nèi)。為了擴(kuò)大有效冷卻的范圍,設(shè)計(jì)高效的冷卻孔幾何,需要對(duì)冷卻孔附近的流動(dòng)結(jié)構(gòu)和機(jī)理進(jìn)行深入的研究。冷卻孔附近的流動(dòng)是一種典型的橫向流中的射流流動(dòng)。冷卻孔出來(lái)的射流
6、與高溫的橫向主流(葉片流道內(nèi)的熱流體流動(dòng))相互作用,在冷卻孔附近產(chǎn)生局部非常復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象,并由一系列旋渦結(jié)構(gòu)所表征。,主要旋渦有腎形渦、馬蹄渦、尾跡渦和剪切渦系等。 收稿日期:2006-11-24;作者簡(jiǎn)介:康順(1955-),男,陜西西安人,教授,博導(dǎo),主要從事葉輪機(jī)械氣體動(dòng)力學(xué),計(jì)算流體力學(xué),實(shí)驗(yàn)流體力學(xué),數(shù)值模擬可信度分析等的研究。這些各向異性和非定常的流動(dòng)結(jié)構(gòu)至今還沒(méi)有通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到完美的描述。文【1,2】采用數(shù)值計(jì)算的方法,揭示了在不同吹風(fēng)比條件下,圓形冷卻孔附近區(qū)域的流動(dòng)結(jié)構(gòu),解釋了腎型渦對(duì)產(chǎn)生的機(jī)理,在此基礎(chǔ)上提出了一種設(shè)計(jì)冷卻孔形狀的方法。然而,工程實(shí)際應(yīng)用的冷卻孔出口大部分為
7、非圓形。另外,由于圓形射流孔流出的冷卻流體在出口處曲折的幾何形狀,不易于深入分析和認(rèn)識(shí)局部的流動(dòng)結(jié)構(gòu)和機(jī)理。因此,本文擬以矩形冷卻孔為幾何模型,采用數(shù)值計(jì)算的方法模擬,。在定常流動(dòng)的假設(shè)下,對(duì)于給定射流入射角、吹風(fēng)比、和不同長(zhǎng)寬比的矩形截面冷卻孔附近的流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬。在與有限的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較的基礎(chǔ)上,分析和研究不同長(zhǎng)寬比條件下,冷卻孔附件區(qū)域的流動(dòng)結(jié)構(gòu)和機(jī)理。 Hole-1 Hole-2- . - Hole-3 實(shí)驗(yàn)2. 研究模型和數(shù)值方法圖1 計(jì)算模型和計(jì)算域研究模型:選取文【3】采用的平板上剪切流動(dòng)和矩形截面冷卻孔模型。幾何模型和計(jì)算域如圖1所示。其中Hole 1,Hole 2,Hole
8、3分別是長(zhǎng)寬比為0.5,1.0,2.0時(shí)的矩形射流孔,并保持主流方向的寬度不變。吹風(fēng)比(平板邊界層外的流動(dòng)速度與冷卻孔入口速度之比)為0.5。冷卻孔與平板的夾角為90o。計(jì)算方法:采用NUMECA的FINE/TURBO軟件。該軟件采用時(shí)間相關(guān)法求解雷諾平均NS方程。本文選用二階精度的中心離散格式,Spalart-Allmaras的一方程湍流模型。計(jì)算殘差收斂到6或5的量階。計(jì)算網(wǎng)格:射流孔內(nèi)和平板上面的網(wǎng)格均為H型結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。網(wǎng)格總數(shù)約為84萬(wàn)。在固體壁面附件和射流孔周圍區(qū)域,網(wǎng)格適當(dāng)加密。邊界條件:主流沿X軸方向。遠(yuǎn)前方來(lái)流的湍流邊界層厚度設(shè)為1.5倍射流孔在流向的寬度(D)。射流孔入口給定靜
9、溫和均勻速度,靜溫和遠(yuǎn)場(chǎng)邊界的值相同,吹風(fēng)比為0.5。3 數(shù)值結(jié)果確認(rèn)圖2 對(duì)稱面上X/D=1.0、3.0和5.0處的Vx值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比 Hole-1 Hole-2- . - Hole-3 實(shí)驗(yàn) Hole-1 Hole-2- . - Hole-3 實(shí)驗(yàn)圖2 對(duì)稱面上X/D=1.0、3.0和5.0處的Vx值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比圖2 給出了不同長(zhǎng)寬比的三個(gè)模型對(duì)稱面上,在Xx/D1.0,3.0,5.0(分別位于冷卻孔中心后方1D,3D和5D處,D為冷卻孔在Xx方向的長(zhǎng)度),Vx沿Zz方向的變化,并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取自文獻(xiàn)【3】,對(duì)應(yīng)于第二種模型,即Hole 2(方形孔)。由圖2所知
10、,在邊界層內(nèi)大部分區(qū)域內(nèi),計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)很好吻合。在近壁面附近的極小值區(qū)域與腎型渦的存在有關(guān),隨著長(zhǎng)寬比的增加,該低速區(qū)和量值增加。另外,在遠(yuǎn)離壁面處,與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不同的是,計(jì)算結(jié)果還顯示了一個(gè)高速度的極值區(qū),這與文【4】采用大渦模擬方法得到的時(shí)間平均結(jié)果相近。4 數(shù)值結(jié)果及分析冷卻孔附近的流動(dòng)主要由兩種剪切流動(dòng)所支配:孔內(nèi)邊界層流動(dòng)和平板上橫向主流的邊界層流動(dòng)。前者如圖3的定性表示,所產(chǎn)生的渦層分別由±wx和±wy表示。當(dāng)冷卻圖3 冷卻孔內(nèi)的剪切流動(dòng)的定義描述a) Hole-1b) Hole-2c) Hole-3S1S2圖6 壁面極限流線圖譜a)孔外渦旋b)孔外的旋渦圖
11、4 冷卻孔外各種旋渦的定義描述c)孔外前方的馬蹄渦孔氣流離開(kāi)冷卻孔時(shí),會(huì)產(chǎn)生環(huán)繞冷卻氣流的渦環(huán),如圖4a所示。實(shí)際上,這個(gè)渦環(huán)將不斷脫落,是非定常的,而本文假設(shè)流動(dòng)為定常。如果把這個(gè)渦環(huán)考慮為沿各自邊沿緣所形成的孤立旋渦,則在橫向主流的驅(qū)使下,射流孔前緣和后緣邊的渦線將向橫向主流方向彎曲,并順著橫向主流發(fā)展下去,因此在圖4b上分別以±wx表示。而在兩個(gè)側(cè)邊所形成的旋渦當(dāng)然也要沿著主流方向向下發(fā)展。此外,如所示4c所示,由于橫向主流的邊界層流動(dòng)以及射流對(duì)其的阻礙作用,在射流孔前方將產(chǎn)生馬蹄渦,且與圖4b所示的冷卻孔出口前緣處的旋渦旋向相反。Hole-1Hole-2Hole-3圖5 冷卻
12、孔出口區(qū)域的旋渦結(jié)構(gòu)圖5給出了冷卻孔出口附近區(qū)域計(jì)算出的三維流動(dòng)結(jié)構(gòu)。其中四種不同顏色的流線束分別經(jīng)由出口處的四個(gè)邊附近流出。正如前面的定性分析所預(yù)示的,對(duì)于所研究的三種長(zhǎng)寬比矩形孔,在其前緣附近的流線束均與馬蹄渦纏繞在一起,使馬蹄渦的強(qiáng)度和尺度增強(qiáng)(c重新考慮!)。兩個(gè)側(cè)邊附近的流線束卷成兩個(gè)旋向相反的集中旋渦,并順著主流伸向下游,其渦核沿流向逐漸增大。該旋渦對(duì)是腎型渦對(duì)的早期發(fā)展。在其前緣附近的流線束均與馬蹄渦纏繞在一起。由于馬蹄渦的強(qiáng)度和尺度遠(yuǎn)大于射流孔出口的渦旋,特別是在hole2和3條件下,只明顯地觀察到馬蹄渦的發(fā)展。另外,由于主流的推動(dòng)作用,冷卻孔出口后緣附近的流線束,在出口附近并
13、沒(méi)有形成旋渦運(yùn)動(dòng),而是繞過(guò)一個(gè)低速區(qū)(渦丘)伸向下游。X/D=1圖7 橫截面圖譜(Hole-2)X/D=2X/D=3X/D=5腎型渦對(duì)馬蹄渦圖6是三種冷卻孔附近區(qū)域的壁面極限流線圖譜。可清楚地看到冷卻孔前方的馬蹄渦分離線和冷卻孔下游的兩個(gè)螺旋結(jié)點(diǎn)。冷卻孔周圍的流動(dòng)分離區(qū)域的尺度可由其前后的兩個(gè)分離鞍點(diǎn)S1和S2表述。對(duì)于Hole-1、2和3,S1的x軸坐標(biāo)分別為-0.48、-0.85和-1.25,S2的坐標(biāo)分別為0.67、0.83和1.47??梢?jiàn),增大冷卻孔的長(zhǎng)寬比,將使馬蹄渦前移,并導(dǎo)致渦核變強(qiáng)和變大;使冷卻孔下游的分離區(qū)增大。對(duì)于該分離區(qū)內(nèi)的兩個(gè)螺旋結(jié)點(diǎn),冷卻氣流將在此形成一對(duì)“渦丘”。隨
14、著長(zhǎng)寬比增加,鞍點(diǎn)S2向下游移動(dòng),同時(shí)“渦丘”的尺度增加。圖8 腎型渦核心位置的變化圖9 馬蹄渦心位置的變化為了觀察腎型渦對(duì)的發(fā)展,圖7給出了Hole 2四個(gè)不同流向位置橫截面上的Vx等值線圖和流線圖譜。由圖可見(jiàn),在腎型渦對(duì)的核心位置區(qū),速度取極小值。在冷卻孔不遠(yuǎn)的下游區(qū)域,腎型渦對(duì)的尺度沿流向增加,并逐漸遠(yuǎn)離壁面。圖8給出了腎型渦核中心點(diǎn)的坐標(biāo)隨流向(x軸)的變化。(注:渦核中心定義為橫截面流線的結(jié)點(diǎn))。由圖可見(jiàn),對(duì)于Yy向(側(cè)向)位置,考慮到冷卻孔側(cè)邊的Yy坐標(biāo),對(duì)于Hole 1,2和3分別為Yy/D=0.25,0.5和1.5,因此腎型渦心的Yy坐標(biāo)應(yīng)隨著冷卻孔長(zhǎng)寬比的增大而增大。但對(duì)于H
15、ole 2,由于“渦丘”的存在,在Xx/D=1的位置并不符合此規(guī)律。在冷卻孔的遠(yuǎn)下游,三個(gè)長(zhǎng)寬比冷卻孔腎型渦的側(cè)向位置區(qū)域接近。對(duì)于Zz向(垂直于壁面方向)位置,在冷卻孔下游不遠(yuǎn)處(Xx/D1),腎型渦的Zz向位置幾乎不受冷卻孔長(zhǎng)寬比變化的影響。在其下游,三種長(zhǎng)寬比的腎型渦均不斷遠(yuǎn)離壁面。Hole 1的高度位置近似于線性增加。Hole 2與Hole 1的高度位置非常相近。而Hole 2和3的高度位置沿流向的非線性變化可能與馬蹄渦高度位置的非線性有關(guān),如圖9所示。由于馬蹄渦與腎型渦的旋向相反,在馬蹄渦較遠(yuǎn)離壁面的區(qū)域,腎型渦就較接近壁面。另外,由于Hole 1的馬蹄渦很弱,圖9只給出Hole 2
16、和3馬蹄渦渦心的坐標(biāo)位置隨流向的變化。5. 結(jié)論本文采用數(shù)值模擬的方法研究了在給定橫向流速和吹風(fēng)比的條件下,不同長(zhǎng)寬比的矩形垂直射流孔附近區(qū)域的流場(chǎng)。在與有限實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)很好吻合的條件下,分析了三維定常流動(dòng)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。主要結(jié)論如下:(1)冷卻孔附近的流動(dòng)結(jié)構(gòu)主要由兩種剪切流動(dòng)所支配:孔內(nèi)邊界層流動(dòng)和平板上橫向主流的邊界層流動(dòng),以及由此所產(chǎn)生的旋渦系。(2)在給定橫向流速和吹風(fēng)比的條件下,冷卻孔長(zhǎng)寬比的增加使馬蹄渦和腎型渦的尺度和強(qiáng)度增大,并使腎型渦遠(yuǎn)離壁面。參考文獻(xiàn)1 康順.冷卻孔附近三維流動(dòng)的結(jié)構(gòu).中國(guó)工程熱物理學(xué)會(huì)第十一屆年會(huì)論文集,2005,已被工程熱物理學(xué)報(bào)錄取2 Kang Shun(康順), 2006, Numerical Investigation of the 3D Flow Structures nearby Cooling Holes, AJCPP200622084, Beijing.3 Ajersch, P., Zhou, J.M., Ketler, S., Salcudean, M. and Gartshore, I. A. (1995), Multiple jets in a crossflow: detailed measurements and numerical simulations, ASME 95-GT-9.4 Tyagi, M.
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