一种异形气膜孔冷却效率与热弹力学数值仿真_杨智方.pdf

第 卷 第 期 年 月 汽 轮 机 技 术.一种异形气膜孔冷却效率与热弹力学数值仿真杨智方，郭春海，马立程，刘 通，张文武（中国科学院宁波材料技术与工程研究所，浙江省航空发动机极端制造重点实验室，宁波）摘要：对一种复杂的异形气膜孔冷却技术进行数值分析，通过流固耦合计算的方法，对比不同几何结构及吹风比下的猫耳形气膜孔的温度与应力分布，对计算模型的冷却效率和热弹力学性能进行了综合分析。结果表明：吹风比为 时，气膜孔入射流道倾斜角度越小，冷却效率越大，但是随着气膜孔入射流道倾斜角度的减小，气膜孔受到的应力也会随之增大；吹风比越大，冷却效率越高，最大等效应力也越大；猫耳形扩张角的改变对气膜纵向冷却效率影响不大，但是随着猫耳形扩张角的增大，气膜横向冷却效果可以得到提升。因此，在实际应用中，对于几何结构和吹风比的调整要根据实际材料控制在一个合理的区间，以保证冷却效率与所承受应力强度的平衡。关键词：异形孔；流固耦合；气膜冷却；数值模拟；热弹力学分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，）：，：，：，：；收稿日期：作者简介：杨智方（），男，硕士研究生。主要从事气膜冷却方面研究。前 言为了提高航空发动机的效率和功率，目前的航空发动机系统需要在越来越高的温度下运行，发动机涡轮叶片作为燃气轮机的核心部件，是航空发动机研制的关键。气膜冷却技术作为发动机研发过程中最重要的冷却技术之一，在确保发动机安全可靠地稳定运行方面得到了广泛的研究与应用。为提高发动机效率的同时避免出现事故，航空发动机涡轮叶片冷却技术的深入研究，尤其是在涡轮叶片气膜冷却效率和结构与强度的关系及其优化方面具有非常重要意义。气膜冷却基本原理是：从高温环境的壁面上的孔向主流引入二次气流（冷却工质或射流），这股冷气流在主流的压力和摩擦力作用下向下游弯曲，附着在壁面一定区域上，形成温度较低的冷气膜将壁面同高温燃气隔离，并带走部分高温燃气，从而对壁面起到良好的冷却保护作用。鉴于平板在加工上的便利以及平板实验结果与叶轮机械原型测试之间的可借鉴性，一般研究均利用平板进行。在气膜冷却的过程中，在冷却射流和高温主流的共同作用下，容易在叶片气膜孔出口处形成肾形旋涡，从而对主流形成卷夹作用，从而降低气膜冷却效率，通过压敏漆技术对 种气膜冷却结构的气膜冷却效率与冷气时空分布进行了实验研究。因此，对于气膜孔结构和出口形状的优化是提高气膜冷却效率的关键手段之一，受到了广泛的关注。通过数值仿真，对绝热平板的不同气膜孔形和双向喷射进行了冷却效果对比与机理研究。，研究了复合角孔气膜冷却射流下游的温度场，对于叶片气膜孔定向角和吹气比对气膜冷却射流下汽 轮 机 技 术第 卷游的温度分布进行了分析，得出随着温度升高，定向角可使展向气膜覆盖均匀，并改善气膜冷却性能。对圆孔和复合角孔进行了实验对比，结果表明，复合角孔具有更好的冷却性能；利用 方程和有限体积法对两种气膜孔形及其改进的结构进行了数值仿真，等对于气膜孔的形状、倾角与气膜冷却效率和粒子沉积的速度都有了较为深入的实验仿真分析，结果表明，呈现猫耳形状的组合孔具有较好的冷却效率。等对姊妹气膜孔的排布进行了设计与优化，通过减少肾形涡流的形成提升了气膜冷却效率。除此之外，、等也都提出了多种气膜孔结构的优化设计并进行了相关分析讨论。异形孔作为一种新兴的气膜孔形受到了广泛的关注，其中尤其以猫耳形气膜孔为代表。通过对一种类似猫耳形气膜孔的数值仿真研究，得到该结构能够显著改善气膜冷却均匀性与效果的结论。等提出一种全新的气膜冷却孔形，并对其进行了数值仿真对比，结果显示猫耳形气膜孔拥有更好的冷却效果和更大的保护面积。目前对于气膜冷却技术的研究主要集中于对于气膜孔几何结构对冷却效率的影响，但是较高的冷却效率必然会导致气膜孔内部温度分布不均，从而对叶片和气膜孔的强度产生影响，王湛对平板圆孔进行了热弹耦合仿真，对可能存在热应力集中的结构部位进行了分析，通过对镍基高温合金材料进行实验，研究了带气膜孔的工件在冷却过程中受到的应力集中作用，分析了气膜孔的失效机理。本文采用单向流固耦合的方法对不同几何结构的异形猫耳气膜孔在不同吹风比下的冷却效率与热弹力学性能进行研究。计算模型与边界条件 气膜孔结构图 所示为猫耳形异形孔的各项几何参数示意图。异形孔的基本形式 冷却气流入口直径 ，倾角，猫耳形扩张角，气膜孔长度比 ，高度比。其余计算模型的几何参数设置见表。图 气膜孔几何参数 参数定义绝热气膜冷却效率：（）表 气膜冷却孔几何参数设置算例 （）（）综合冷却效率：（）吹风比：（）式中，为主流空气温度；为绝热壁面的温度；为在流热耦合计算条件下壁面的温度；为冷却空气射流的入口温度；、分别为冷却空气的速度和主流空气的速度；、分别为冷却空气的密度和主流空气的密度。为了计算的简便性，本文将两者密度进行等值化处理，即使得吹风比 与冷却空气与主流空气入口速度的比值相同。文献中对于冷却效率的处理方式，在耦合计算过程中，将综合冷却效率视为反映气膜冷却以及金属材料与冷气导热对冷却效率影响的指标，在除了本文后续讨论中 节湍流模型验证使用绝热气膜壁面温度外，其余各节中的冷却效率均使用流热耦合计算条件下的壁面温度来计算流热耦合计算中的综合冷却效率。边界条件本文在进行数值仿真分析时设定的主流入口空气流速为 ，温度为，冷却气流入口温度为，气流出口均设置为压力出口，压力出口设置为大气压，并通过改变冷却气流入口速度改变吹风比。流体域两侧面采用对称边界条件，其余面均为无滑移绝热壁面。具体计算域如图 所示，计算域包括主流、冷却气流域与固体域，高温主流从平板上部通过，冷却射流从平板下部通过，并进入气膜孔内汇入主流区域，从而对平板进行冷却。其中固体域材料选用某高温合金各项材料特性参数。控制方程在本文给定的高速气膜冷却的计算模型下，流体的流动是湍流，因此采用雷诺平均 方程中的连续方程、动量方程和能量方程来描述流动过程。表达方式如下：（）（）（）（）（）（）（）（）()（）第 期杨智方等：一种异形气膜孔冷却效率与热弹力学数值仿真图 计算域示意图式中，、和 分别为时间、密度、静压和温度；分别为、和 个方向上的速度矢量；、和 分别为黏性系数、恒压比热容、热传导系数、黏性耗散项和单位张量。笛卡尔坐标系中的速度矢量场为 ，其中，、分别为、方向的单位向量。湍流黏度模型采用 模型，允许通过求解两个独立的输运方程来确定湍流长度和时间尺度。自 和 提出以来，一直是实际工程流动计算的主力。它具有很好的鲁棒性、经济性和对大范围湍流的合理预测性，所以它在工业流动和传热模拟中非常受欢迎。的输运方程表述如下：（）（）|（）（）（）|（）（）式中，为平均速度梯度引起的湍流动能的产生；为由浮力产生的紊流动能；为可压缩湍流中波动膨胀对总耗散率的贡献；、为常数；、分别是 和 的湍流普朗特数；、为用户定义的源项；，。湍流黏度 的计算方法如下：（）其中，数值仿真计算过程在 中进行。湍流模型验证为验证湍流模型的适用性，本文建立图 所示的验证模型进行计算，并将数值计算结果与文献中的实验结果进行比对。验证模型中，气膜孔直径 ，气膜孔偏角为，取气膜孔长度与直径 进行模拟仿真。其中主流通道两侧设置 边界条件，其余面均为无滑移绝热壁面。冷却射流与主流密度之比 ，设置主流速度大小为 ，冷却气流入口速度根据吹风比给定边界。主流入口温度为，冷却气流入口温度为。图 验证计算域示意图当 时，给出气膜孔中心线下游的绝热壁面温度计算与实验数据对比如图 所示，图中纵坐标表示开氏温度。由图 可以看出，绝热壁面温度场分布准确，误差小于，说明选用该湍流模型具有一定的可靠性。图 温度分布模拟值与实验值的比较 网格无关性验证计算域采用非结构化网格，对近壁面、气膜孔入口以及复杂结构处进行加密，如图 所示，保证近壁面。为了确保流热耦合数值仿真计算的准确性，本文对计算域模型进行了网格无关性验证，分别对网格量在 万、万的计算域模型进行数值仿真，两组出口处沿气膜孔中心线下游冷却效率 分布曲线如图 所示，二者仿真结果误差 ，对分析结果不会产生过大影响，为了简化仿真计算过程中的复杂性，选用 万的网格数量进行仿真。图 计算域局部网格加密示意图 热弹耦合计算方法根据以往的研究，对于采用气膜冷却的叶片，由于冷却射流和主流的压差导致的气动应力相对于冷却带来温度差汽 轮 机 技 术第 卷图 网格无关性验证从而产生的热应力而言，可以忽略不计，为了计算的简便性以及更加直观地反映冷却效果与应力之间的关系，本文直接把热应力等同于应力。为了排除其它约束对于计算模型产生的干扰，平板周围没有设置位移约束，仅设置 约束用于限制计算模型进行刚体位移，整个热弹耦合计算流程如图 所示。图 热弹性耦合计算流程图 计算结果与讨论 气膜孔入射流道倾斜角度的影响图 所示为吹风比为 时的、和 沿气膜孔中心线下游的综合冷却效率分布曲线，从图 可以看出，气膜孔入射流道倾斜角度为 时，气膜冷却综合效率明显低于倾斜角度较小的两组，随着冷却气流沿流向运动的过程中，倾斜角度为 组呈现出最高的综合冷却效率，在 之后的区域，气膜孔入射流道倾斜角为 和 的两组综合冷却效率逐步接近，且冷却效率随流向的降低幅度逐步减小，趋于稳定。图 所示为 个算例流体域与固体域接触面上的温度分布云图，可以看出，入射流道倾斜角度越小，冷却气流对于流固交界处的冷气覆盖长度越长，使得冷却气流对平板表面的覆盖性更好，使得气膜冷却整体效果更好。除此之外，从图 可以看出，由于气膜孔入射流道角度的增大，可能会导致气膜孔出口上游处出现部分低温区，这是由于部分冷却射流在气膜孔内部流动的过程中在该处速度相比其它部位更小，导致冷却气流在该处停留时间更长，使得接近出口上游的孔内区域出现部分冷却气体滞留，算例上游低温区域冷却气流速度矢量图如图 所示，从而对气膜孔上端产生了一定的冷却作用。图 所示为 个算例固体域及其内部切面的等效应力图 沿气膜孔中心线下游的、和 的综合冷却效率图 、和 的流固界面温度分布云图图 工况下膜孔上游内速度矢量图分布云图，个算例的最大应力值见表，可以看出，在入射流道倾斜角度从 逐步增加到 的过程中，最大等效应力分别减少了 和，从图 可以看出，气膜孔固体域在冷却过程中产生的最大应力均产生在冷却气流入口处以及冷却气流流道出现突变的圆柱异形流道交界处，并且等效应力云图沿流固交界面的分布情况与温度云图呈现出一定的相似，图 所示为 个算例的等效应力等值面分布图，可以看出，不同的入射流道倾角对于平板承受热应力的分布情况影响不大，在 区域的应力均在 左右，且沿气膜孔中心线向两侧逐渐减小，而在气膜孔下游的沿流向应力分布等值面分布则与下游处狭长的低温流场有关。这是由于温度的不均衡导致的材料内部各部分收缩不一致引起的。表、和 的最大等效应力算例最大等效应力 第 期杨智方等：一种异形气膜孔冷却效率与热弹力学数值仿真图 、和 的应力分布云图图 、和 的应力分布等值面图图 所示为应力呈现较大处固体域的温度分布云图，可以看出，在冷却气流流道入口处，温度呈现明显的变化，低温区相对于高温区的局部热膨胀较小，从而对该区域造成的一定的挤压作用，从而导致此处容易产生较高应力，而在流道结构发生突变处，温度变化并不明显，应力产生峰值的原因则是由于气膜孔本身结构对于热应力发生过程中的等效约束条件产生影响。相较于其它两个算例，在流道入口处的温度变化较缓和，且综合冷却效率较小，因此该算例承受等效应力相对较小。图 大应力处、和 的温度分布云图 吹风比的影响图 所示为吹风比为、时的 沿气膜孔中心线下游的综合冷却效率分布曲线，不难看出，在相同结构下，个算例的综合冷却效率分布情况相似，在本文研究的 个吹风比下，吹风比越大，横向综合冷却效率越高。沿流向 吹风比为、的综合冷却效率分别下降、，沿流向 吹风比为、的综合冷却效率分别下降、，可以看出，吹风比较低时，不仅会影响冷却气流出口附近的冷却效果，还会使得综合冷却效率沿流向方向的衰减较高吹风比时更加严重。随着吹风比从 逐步增大到 的过程中，处的综合冷却效率分别增加 和，在吹风比从 增加到 时，纵向综合冷却效率提高明显，从 增加到 时，纵向综合冷却效率提高较为缓慢。图 沿气膜孔中心线下游的、和 的综合冷却效率图 所示为不同吹风比下 流体域与固体域接触面上的温度分布云图，可以看出，不同的吹风比对于叶片整体的冷却效果影响非常明显，高吹风比相对于低吹风比而言，冷却气流对平板的覆盖作用更好，计算模型中，冷却气流对于主流的穿透作用非常明显，反肾形涡对主流的冷却范围也会随之变大，使得横向冷却范围相较于其它两例都有明显增大。同时更高的吹风比也会导致冷却气流在靠近气膜孔出口上游的流道内滞留的可能性增加，使得气膜孔出口上游也受到不同程度的冷却作用。图 、和 的流固界面温度分布云图图 及表 给出不同吹风比下的 个算例的等效应力分布云图以及最大应力数值，由图 可见，在给定的 种吹风比下，最大等效应力随着吹风比增大而增大，且随着吹风比的增大，最大等效应力增大量也提升明显，并且随着吹风比的增大，气膜孔出口处横向受力面积也随之增大。结合图 所示的 个算例应力等值面示意图也可以看出，吹风比越大，气膜孔内部受力越大，平板受热应力作用范围越大，强度越高，取 附近区域的应力进行数值比较，存在明显的 的大小关系，最终在 处算例应力变化趋于平缓，除此之外，吹风比的增大还极大延长了应力在平板沿中心线的作用长度。图 、和 的应力分布云图汽 轮 机 技 术第 卷 表、和 的最大等效应力算例最大等效应力 图 、和 的应力分布等值面图图 所示为、和 大应力处温度分布云图，结合该图也进一步可以说明，大吹风比时气膜孔内部流道由于温度梯度相对于小吹风比更大，会导致气膜孔内部材料膨胀不一致更加严重，从而使得气膜孔内部流道受到的平均应力强度更高。图 大应力处、和 的温度分布云图从上面分析也可以看出，提高吹风比是提高气膜综合冷却效率非常有效的方法，但是随着吹风比的增高，综合冷却效率的提高引起的气膜孔内部承受应力的增大会愈发显著，因此增大吹风比来提高冷却效率的措施应该限制在一个合适的范围。猫耳形扩张角的影响图 所示为吹风比为 时的、和 的综合冷却效率曲线，曲线显示，在猫耳形扩张角为 和 时，两个算例的综合冷却效率与沿流向变化情况相差不大且都明显小于 算例。图 沿气膜孔中心线下游的、和 的综合冷却效率结合图 所示的流体域与固体域接触面温度分布云图分析可知，猫耳形扩张角对于气膜冷却效果的影响在横向更显著，随着猫耳形扩张角的增大，低温区域沿流向方向的排布向平板两侧逐渐延伸，而当猫耳形扩张角偏小时，气膜孔出口附近壁面的冷却效果也会相对较差。这是由于猫耳扩张角较小会导致冷却气流出口面积减小，增大冷却气流出口速度的同时会增加冷却气流对主流的穿透作用，影响冷却气体在平板上的覆盖效果，同时由于气膜孔出口两侧夹角变小，使得结构上不易于出流冷却气体的扩散，导致横向纵向的综合冷却效率都较差；而猫耳形扩张角偏大时，使得出口速度相比其它两算例更低，再加上结构上更易引起冷却气流的横向逸散，导致纵向综合冷却效率的降低。图 、和 的流固界面温度分布云图图 与表 给出等效应力分布云图与最大等效应力值，与 相比，和 在气膜孔上游应力承受面积明显较小，且在整个固体域上受到的最大等效应力值较低。个算例的应力等值面分布如图 所示，可以看出气膜孔猫耳形扩张角的大小对于平板整体受力面积影响不大，主要影响的部分位于猫耳异形流道内部，可以看出，猫耳形扩张角越大，猫耳形流道内部受到的平均应力越大，经过计算、个算例整个模型的平均应力分别为、和，排除 冷却效率较好的条件下，和 两个算例在冷却效率相近的情况下，猫耳形扩张角大的 算例承受平均应力更大，这说明猫耳形扩张角越大，对平板本身结构的破坏越大，导致平板整体的平均受力越大。图 、和 的应力分布云图表、和 的最大等效应力算例最大等效应力 结合图 给出的较大应力处的温度分布云图可知，在猫耳形流道处，等温线密集程度从大到小排序分别为 第 期杨智方等：一种异形气膜孔冷却效率与热弹力学数值仿真图 、和 的应力分布等值面图图 大应力处、和 的温度分布云图，在只考虑温度的情况下，所得猫耳形流道处的应力分析结果与图 不符，这说明在猫耳流道处气膜孔受到的应力，不应该仅仅考虑温度差距的影响，猫耳孔整体结构导致的热应力膨胀约束的不同也是重要影响因素。结 论本文通过改变入射流道倾斜角度、吹风比以及猫耳形扩张角的大小，对猫耳形气膜孔进行热弹力学性能分析，并结合温度分布与冷却效果，获得以下结论：（）气膜孔入射流道倾斜角度 越小，冷却效率越大，但是同时随着气膜孔入射流道倾斜角度的减小，气膜孔受到的应力也会随之增大，应力峰值主要出现在气膜孔冷却气流入口位置以及猫耳形流道与入射流道交界处结构突变的位置。在入射流道倾斜角度从 逐步增加到 的过程中，最大等效应力分别减少了 和。（）对于本文研究的猫耳形气膜孔，吹风比 越大，冷却效率越高，最大等效应力也越大，但是随着吹风比的升高，继续提高吹风比所带来的冷却效率的提高效果会减弱，受到的最大等效应力的增加幅度会变大。（）猫耳形扩张角 与气膜纵向冷却效率不存在正相关或负相关的关系，但是随着猫耳形扩张角的增大，气模横向冷却效果可以得到提升，同时由于猫耳形开口对于平板结构的破坏，使得随着猫耳形扩张角的增大，整个平板所受的平均应力也会随之增大。（）在实际工作中，对于横向纵向冷却效率应该根据综合的考量选择适当的几何参数与吹风比，同时要考虑到调整结构和吹风比带来的对气膜孔自身的承受应力的增减，从而在保证冷却效率符合要求的情况下拥有更长的工作寿命。参 考 文 献 唐学智，李录平，黄章俊，等 孔间距对燃气轮机动叶气膜冷却效果的影响 动力工程学报，（）：，（）：肖 坤，何 娟，刘 钊，丰镇平 交叉扭转椭圆气膜孔冷却机理研究 工程热物理学报，（）：，（）：，（）：，：，：，：，（）：，“”，（）：，：，：，（）：，王 湛，张 超，刘建军 平板圆孔气膜冷却的热弹耦合分析 航空动力学报，（）：（下转第 页）汽 轮 机 技 术第 卷图 试验结果 徐向东，朱为民，沈来宏，等 核电汽轮机数学模型及仿真 汽轮机技术，（）：，郑忠伟，刘云锋 百万核电汽轮机低压排汽缸气动性能数值研究 汽轮机技术，（）：梅子岳，郭亚楠，谢诞梅，等 核电汽轮机低压内缸 建模与轴封变形分析 热能动力工程，（）：朱 伟，蒋滋康，程芳真，等 汽轮机本体分段式通用模块化建模与仿真 热能动力工程，（）：，宋百玲，曹 照，宋恩哲 核动力汽轮发电机甩负荷建模与仿真分析 汽轮机技术，（）：李江宽，杨里平，林 萌，等 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