平板气膜冷却换热效果的研究.docx

平板气膜冷却换热效果的研究《热能动力工程杂志》2014年第三期1数值模型1．1粗糙壁面方程与光滑壁面不同在粗糙表面不能用普朗特相似准则将传热和流动简单类比。在叶片表面上于作用在气流流动法向方向的的动压或静压使湍流切应力能够直接传递到粗糙元即热量通过涡旋传递到粗糙元所在的表面然后通过分子导热机理传到固体表面。本研究使用Viegas和Jayatilleke的模型［8］将温度壁面分为两层:一层由导热占据主导地位叫导热子层呈线性分布形式见式(1);另一层是湍流主导区域这一层中湍流影响超过导热的影响呈对数分布形式见式(2)。当选择了流体介质后计算出导热子层的厚度y*T当无量纲距离y*＜y*T时该区域属于导热壁面层应用式(1);当y*＞y*T时该区域属于湍流壁面层应用式(2)。1．2初始条件和边界条件试验段的尺寸如图1所示流动通道为1000mm×250mm×80mm圆柱气膜孔中心距离板前缘的距离为550mm冷却孔直径为10mm带有35°倾斜角孔间距为40mm。其它实验条件如表1所示。粗糙度根据实验条件确定。根据Bons对多种在役陆地燃气轮机(重燃和工业机)涡轮叶片表面粗糙度的测量得出真实叶片弦长b=2－20cm时轮廓算数平均偏差Ra的最大值为21．1μm而最小值为1μm平均值约为5μm［9］。本实验研究对象的弦长为b=10cm实验件的放大因子为10因此实验件长为100cm。在实验件上分别铺设60号和100号的砂纸其ks≈0．254－0．423mm采用ks=7Ra的关联式则实验件上对应的Ra=36．3－60．4μm。由于实验件放大因子为10所以此实验件模拟的真实叶片上的粗糙度范围为Ra=3．63－6．04μm。这个粗糙值范围在文献［9］介绍的真实粗糙度范围内与实际情况相符。1．3网格划分与数值计算方法在Fluent软件平台上进行建模和计算。采用三维结构性网格对冷却孔周围和壁面附近网格局部加密总网格数1624800个。经过网格依赖性验证此网格数目足够保证计算精度。网格偏率在0－0．4的网格超过99．8%。对主流雷诺数Re=106吹风比M=0．5主流湍流度Tu=1%粗糙度ks=0的工况进行初步验证计算壁面Y+值在30－60之间符合标准壁面函数的要求可以认为所画网格满足壁面函数要求。对各物理量采用二阶迎风格式进行离散;压力－速度耦合采用SIMPLEC算法以便更快收敛;湍流模型采用标准k－ε模型此模型对主流高雷诺数情况适用性好但是对某些壁面区域的处理欠佳因此对边界层内底层使用壁面函数求解这种标准k－ε模型加壁面函数的方法被许多研究者应用并证明是有效而合理的;收敛标准为各项残差＜10－6。1．4模型验证对雷诺数Re=106吹风比M=0．5和1．0主流湍流度Tu=1%粗糙度ks=0工况的计算结果与文献［10］的实验结果相比较如图2所示计算结果与实验结果吻合较好证明了所用模型的正确性。2结果及讨论2．1粗糙平板表面的气膜冷却换热系数分布图3中根据换热系数差异划分了5个区域区域A是未受气膜冷却影响的上游这个区域传热情况取决于主流的情况。区域B是两个相邻气膜孔之间的区域除了高吹风比或者孔间距减小时射流的阻塞作用使得主流在这一区域的加速度增加否则射流会在这一区域缓和此时这个区域的换热系数会增大当然改变孔的出口形状可以使射流更好的扩散也能改变这一区域的换热情况。区域C是紧邻射流孔的下游这个区域的换热系数达到最小值因为射流会在区域C形成一个滞止区域喷气比越大这个区域会越大。区域D位于射流孔的两翼由于主流和射流在这个区域存在大的剪切应力并且形成漩涡从而使这一区域成为高的传热区。区域E也是高传热区射流在小的吹风比下依然附着在表面上这一区域。而高吹风比下在E的下游还会由于气膜再次附着形成另一个高的传热区。2．2粗糙度对气膜冷却有效度和平均换热系数的影响图4是Re=106、吹风比M=0．5工况不同表面粗糙度的平板实验件气膜冷却有效度沿流动方向的曲线(横坐标为流动距离X与孔径D的比值)。图4(a)可以看出沿着流动方向气膜有效度逐渐降低。这是由于随着流动的发展卷吸作用不断增强主流热空气靠板随后射流脱离壁面与主流掺混射流瓦解完全由主流支配因此冷却效率逐渐下降。图4(b)为粗糙表面和光滑表面情况下气膜冷却有效度的比值可以看出在X/D=3时粗糙度对气膜有效度影响较大这与文献［6］的实验结论一致在X/D=6时粗糙度对气膜冷却有效度影响最小。在ks=0．8mm时在平板末端粗糙表面平板比光滑平板气膜有效度下降了23%。在气膜冷却实验中按惯例有两种数据整理方式:一种是按照冷却孔中心线整理数据另一种按照冷却孔侧向整理数据。图4(c)为按照冷却孔侧向整理的气膜冷却有效度比值。可以发现按