2015工程熱物理氣動(dòng)文獻(xiàn)

前緣曲率對(duì)葉片傳熱影響的數(shù)值研究（200093）:383681424@163.com)(Tel:,摘要運(yùn)用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)前緣沖擊冷卻模型的傳熱特性進(jìn)行了研究，分析了主流雷諾數(shù)、主流湍流度和前緣曲率對(duì)葉片前緣區(qū)域傳熱的影響。研究結(jié)果表明：半橢圓前緣的整體冷卻效果比半圓前緣好；總結(jié)了前緣外表面滯止點(diǎn)的換熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式和前緣內(nèi)外表面整體平均的換熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式，0前緣曲率對(duì)葉片傳熱影響的數(shù)值研究（200093）:383681424@163.com)(Tel:,摘要運(yùn)用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)前緣沖擊冷卻模型的傳熱特性進(jìn)行了研究，分析了主流雷諾數(shù)、主流湍流度和前緣曲率對(duì)葉片前緣區(qū)域傳熱的影響。研究結(jié)果表明：半橢圓前緣的整體冷卻效果比半圓前緣好；總結(jié)了前緣外表面滯止點(diǎn)的換熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式和前緣內(nèi)外表面整體平均的換熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式，0前言提高透平燃?xì)鉁囟仁翘嵘細(xì)廨啓C(jī)熱效率和輸出功率的關(guān)鍵途徑,先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)透[1]。前緣是燃?xì)廨啓C(jī)葉片上命具有重要的意義。葉片前緣的沖擊冷卻比平板或近似平板的曲面沖擊冷卻要復(fù)雜許多。首先，前緣內(nèi)外表面均是大曲率，射流在曲面上的反射和環(huán)流，影響了近距離的射流的沖擊效果。其靶面在單排冷卻射流下的沖擊冷卻換熱，給出了實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)的努塞爾數(shù)、雷諾數(shù)、射流孔徑、射流至靶面的間距，以及射流孔間距與靶面直徑間的關(guān)系式。Bunker和減小射流至靶面的間距可以增大換熱系數(shù)，減小節(jié)距與射流孔徑之比可以增大展向平均換熱系數(shù)和展向換熱系數(shù)梯度。Kumar和Prassad[6]采用SSTΚ-ω模型，數(shù)值模擬了半陶文銓[7]采用液晶顯示技術(shù)，在大沖距范圍內(nèi)，模擬實(shí)際葉型的前緣凹面的射流沖擊換熱實(shí)驗(yàn)，并與半圓凹面的換熱進(jìn)行了比較，給出了換熱準(zhǔn)則關(guān)系式。本文主要對(duì)葉片前緣采用沖擊冷卻的方式進(jìn)行數(shù)值模擬，分析主流雷諾數(shù)Re、來(lái)基金項(xiàng)目：自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51276116）作者簡(jiǎn)介：鮑曙（1991—，男，湖南省湘潭市人，:383681424@163.com。生，研究方向：燃?xì)廨啓C(jī)葉片的傳熱和冷卻，Nu和前緣幾何形狀對(duì)前緣區(qū)域傳熱的影響，歸納總結(jié)了前緣滯止點(diǎn)，前緣內(nèi)物理模型的半橢圓，它們與矩形尾部組成的鈍型實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，如圖1所示。本文前緣簡(jiǎn)化模型高度Nu和前緣幾何形狀對(duì)前緣區(qū)域傳熱的影響，歸納總結(jié)了前緣滯止點(diǎn)，前緣內(nèi)物理模型的半橢圓，它們與矩形尾部組成的鈍型實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停鐖D1所示。本文前緣簡(jiǎn)化模型高度60mm，前緣由外板和內(nèi)板組成，外板厚度hwai=5mm，內(nèi)板厚度hnei=2mm，內(nèi)板前端開(kāi)前緣簡(jiǎn)化模型具體1.2邊界條件和物性參數(shù)前緣內(nèi)板上沖擊孔位置熱流域。對(duì)葉片前緣和燃?xì)膺M(jìn)行熱流耦合計(jì)算，計(jì)算域的邊界條件設(shè)置如圖3所示。主邊界條件設(shè)置100℃~200℃，其比熱容Cp470Jkg·K。材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化，前計(jì)算過(guò)程中采用帶有γ-θ轉(zhuǎn)捩的SST模型[13]。守恒方程中的平流項(xiàng)和湍流輸運(yùn)方程均采CFX擊孔附近等重點(diǎn)關(guān)注的小區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格加密。各計(jì)算域網(wǎng)格的具體數(shù)量如表1所示。1網(wǎng)格特征計(jì)算過(guò)程中采用帶有γ-θ轉(zhuǎn)捩的SST模型[13]。守恒方程中的平流項(xiàng)和湍流輸運(yùn)方程均采CFX擊孔附近等重點(diǎn)關(guān)注的小區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格加密。各計(jì)算域網(wǎng)格的具體數(shù)量如表1所示。1網(wǎng)格特征1231497146256623288911104267498728121715872467024405561028778230847813724384709694網(wǎng)格在相同的計(jì)算工況下，前緣外表面50%高度處溫度變化如圖4所示?？梢园l(fā)現(xiàn)244前緣外表面2.2計(jì)算工況本文模擬計(jì)算了3種形狀的前緣模型在不同主流雷諾數(shù)與湍流度的情況。每個(gè)模型都計(jì)算了3種主流雷諾數(shù)。所有的計(jì)算工況下都保證冷氣質(zhì)量流量占主流質(zhì)量流量的比0.5%21:1，2:1，3:16.49104~1.671055.29103~1.191041%，5%，10%ReRec主流湍流度Tugm/gm/gc（1）式中Tg為主流進(jìn)口總溫，Tm為前緣50%高度外表面壁面溫度，Tc為冷氣進(jìn)口總溫。55x66x=0的位置為弧形部分與平直段的交x053量，偏離滯止點(diǎn)后冷氣換熱量逐漸減小。在平直段，即x0的區(qū)域，半橢圓柱前緣模冷卻效率3.2前緣曲率對(duì)外表面滯止點(diǎn)傳熱的影響ReuD/（2）式中u為主流 緣截面積，L濕潤(rùn)周長(zhǎng)。NuhD/Nu的定義為:（3）式中hq0TginTwq0為前緣外表面滯止位置處FrNu/Re05（4）表示為與前緣外表面滯止線夾角的函數(shù)，F(xiàn)r0為外表面滯止線上的傅洛斯林?jǐn)?shù)。2Tue.5Tue.5Nu（5）1.012.624Re0.5100100長(zhǎng)短軸2Tue.5Tue.5Nu（5）1.012.624Re0.5100100長(zhǎng)短軸71%3緣外表面滯止點(diǎn)處的傅洛斯林?jǐn)?shù)u/e5隨著Tue05TuRe05Nu（6）1.040.931Re05100同曲率前緣模型外表面滯止點(diǎn)處的傳熱系數(shù)的公式為：TuRe05Nu（7）Re05100（8）1dD2D0.79 1.53dB=0.252 （9）1 d8Tue05流度對(duì)外表面滯止點(diǎn)傳熱有影響，3種模型的前緣外表面滯止點(diǎn)的傅洛斯林?jǐn)?shù)u/e5與Tue058Tue05流度對(duì)外表面滯止點(diǎn)傳熱有影響，3種模型的前緣外表面滯止點(diǎn)的傅洛斯林?jǐn)?shù)u/e5與Tue05的變化趨勢(shì)都是一致的，外表面滯止點(diǎn)位置的傳熱系數(shù)都隨著Tue5的增大而增大。在已知自由流湍流度和雷諾數(shù)時(shí)，這些關(guān)聯(lián)式可以用來(lái)3.3前緣曲率對(duì)外表面平均傳熱的影響前waiqwai/Tf1waiTf1gingut/2qwai為外板表面（10）（11）wainNuavgwhwaid/（12）2Tue.5Tue.5Nu（13）avgw0.9022.142.89Re0.5100100長(zhǎng)短軸Tue05TuRe05Nu（14）avgw0.8650.694Re05100率前緣模型外表面總體平均傳熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)式為：TuRe05NuTue05TuRe05Nu（14）avgw0.8650.694Re05100率前緣模型外表面總體平均傳熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)式為：TuRe05NuavgAB（15）Re052 2100D2D0.94 1.46dA=0.373 （16）2 dD2D3.76 3.45dB=1.27 （17）2 d）Tue05傳熱系數(shù)。3.4前緣曲率對(duì)內(nèi)表面?zhèn)鳠岬挠绊憂ini/Tf2niTf2tin/2（18）（19）Nuavgnhneid/（20）Recucd/Rec的定義為:（21）式中uc為沖擊孔出口速度，d為沖擊孔直徑。Recucd/Rec的定義為:（21）式中uc為沖擊孔出口速度，d為沖擊孔直徑。Nu ARe07（22）avgn 3D2D0.062 d（23）A=0.025 3 d時(shí)，在本文曲率變化范圍內(nèi)，前緣內(nèi)表面平均努塞爾數(shù)隨著曲率的增大而單調(diào)遞增。4結(jié)論影響，研究結(jié)果表明：、前緣外表面、內(nèi)表面的換熱系數(shù)都要大于小曲率前緣模型,綜合比較之后得出:大曲率前緣模型的整體冷卻效果要優(yōu)于小曲率前緣模型。GasTurbineAirfoils[J].JournalofGasTurbineAirfoils[J].JournalofThermalScienceandEngineeringApplications，2013，Vol.5：021008-1-12[1],2005:66-70.[2][3]Han,J.C.GasTurbineHeatTransferandCoolingTechnology[M].NewYork,USA:Taylor＆Francis,2000.PW,coefficients[4]forimpingementcooledturbineairfoils[J].Aircraft,1969,6(3):203-208.TurbineAirfoilExtraction[J].ASMEJournalofTurbomachinery,1990,Vol.112:451-458.[5]jetsimpingingonaconcavesurface[J].HeatMassTransfer,2008,44(6):667-678.[6]1999,33(11):55-58.[7]onHeatTransferfromaStagnationRegionofaCylinderinCrossflow.1985,ASMEPaper85-HT-58.[8]andHeatTransfer[J].PhysicsofFluids,1966,Vol.9,No.12:2337-2344.[9]Cylinders[J].ASMEJournalofHeatTransfer,1971,Vol.93:321-327.[10]Vanfossen,G.J.,andSimouneau,R.J.StagnationRegionHeatTransfer:TheInfluenceofTurbulenceParameters,ReynoldsNumberandBodyShape.1994,ASMEHTD-Vol.271:177-191.[11]ofIntegralLengthScaleonStagnationRegionHeatTransfer.1994,ASMEPaper94-HT-5.[12]Tu