不同孔型對氣膜冷卻效果影響的數(shù)值模擬

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1、浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào)!第!"卷!第!期!#"$!年%月&'()*+,'-./012+*34526705/8*290):2;<=',>!"!?'>!!@+<#"$!文章編號!!"#$6$%&!"'(!$#($6($H(6(&不同孔型對氣膜冷卻效果影響的數(shù)值模擬張曉東$$董若凌$$施紅輝$$陳!偉$$#$沈偉杰$$張!蘋$"$>浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院!杭州!$""$B%#>杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院!杭州!$""$B#!!摘!要!為了解氣膜冷卻技術(shù)中孔型作用的影響!采用數(shù)值模擬方法!在主流速度#"U(:!湍流度TS!主&射流溫分別為!!!Z和#D!Z的條件下!考察無復(fù)合角&流向角為!%e時(shí)的圓柱孔

2、&收縮6擴(kuò)散孔和反渦孔進(jìn)行平板氣膜冷卻的冷卻效果$其中!圓孔孔徑$#>RUU!長徑比!>%!與集氣室連接面形式同于其余孔型$模擬過程中!湍流V0+,62G+,0Y-$方程!標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理邊界!4W@KbMI算法實(shí)現(xiàn)壓力&速度耦合$結(jié)果表明'由于反渦射流抑制了腎型渦的形成并減弱了腎型渦的強(qiáng)度!反渦孔的冷卻效果和覆蓋區(qū)域優(yōu)于其他兩孔型$關(guān)鍵詞!氣膜冷卻%數(shù)值模擬%孔型%腎型渦中圖分類號!=#!$>#!!!文獻(xiàn)標(biāo)志碼!J(!引!言!!數(shù)值模擬方法為了獲取更高的燃機(jī)效率%現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)一直朝$>$!計(jì)算模型(%)(T)著高壓比和高渦輪入口溫度的方向發(fā)展%導(dǎo)致渦輪部計(jì)算模型以K20;G)

3、42*/+等的實(shí)驗(yàn)件的熱載荷不斷增加&為確保燃?xì)廨啓C(jī)正常運(yùn)行%高為參考%其系統(tǒng)如圖$所示&圖$中圓柱孔孔徑<效冷卻技術(shù)的應(yīng)用顯得極其迫切&氣膜冷卻技術(shù)是h$#>RUU%測試平板長%"<%前緣距孔口前緣目前燃?xì)鈾C(jī)渦輪部件上廣泛采用的有效冷卻保護(hù)技$D<%各孔間距!<%長徑比為!>%&`+,;0):和b0<6(R)術(shù)%準(zhǔn)確預(yù)估氣膜冷卻效果對渦輪葉片等的設(shè)計(jì)具有,0a曾利用該系統(tǒng)對若干孔型在不同復(fù)合角和流向($)重要意義&孔型是影響冷卻效果的主要因素之一&角條件下的氣膜冷卻特性進(jìn)行過研究%本文則對在相早期%較多的研究集中在圓孔型氣膜冷卻噴孔下游流同實(shí)驗(yàn)條件下圓柱孔'收縮6擴(kuò)散孔和反渦孔的冷卻(

4、#)場的流動(dòng)和傳熱特性上%L',H:;02*等將圓孔噴孔進(jìn)流場及冷卻效果進(jìn)行分析%各孔型結(jié)構(gòu)尺寸如圖#&行梯形擴(kuò)展后發(fā)現(xiàn)%單孔和排孔的冷卻效果都顯著提(!)高&進(jìn)而%劉存良等將梯形擴(kuò)展孔改變成收縮6擴(kuò)(Q)散形孔后發(fā)現(xiàn)其冷卻效果更好&J,'aX/(*30,等則創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)了一種稱為反渦孔的射流孔型%實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)%此孔型也能得到良好的冷卻效果&為了明確上述孔型的實(shí)際應(yīng)用前景%本文以圓柱孔型'收縮6擴(kuò)散孔型與反渦孔孔型為研究對象%對三種孔型的單孔平板氣膜冷卻情況予以數(shù)值模擬%了解并對比!種冷卻圖$!計(jì)算模型孔下游的流動(dòng)和傳熱特性&收稿日期!#"$#A$"A#Q基金項(xiàng)目!浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目

5、"C$"D"BTD#$浙江省科技廳公益技術(shù)研究工業(yè)項(xiàng)目"#"$#I#$"%##$浙江省重中之重學(xué)科和浙江理工大學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室優(yōu)秀青年人才培養(yǎng)基金".478@X#"$$Y"$$#作者簡介!張曉東"$DBTA#%男%浙江海寧人%碩士研究生%主要從事汽車制造技術(shù)的研究&通信作者!董若凌%電子郵箱!H'*3)(',2*3!G:;(>0H(>5*第!期張曉東等!不同孔型對氣膜冷卻效果影響的數(shù)值模擬!Q$'!計(jì)算結(jié)果及分析#>$!速度場的分析冷卻孔出來的射流與橫向主流的相互作用%在冷卻孔附近產(chǎn)生局部非常復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象和漩渦結(jié)構(gòu)%最明顯的特征是在射流的下游形成一個(gè)支配冷圖#!氣膜冷卻孔示意圖卻孔附近流場

6、的渦對%即所謂的腎型渦%其旋向相!!為簡化計(jì)算%本文僅考慮單一角度射流%流向角(B)反&康順等指出腎型渦會(huì)使射流流體抬離壁面%控制為!%e%收縮6擴(kuò)散孔出口長">#<%寬!<$反渦會(huì)使冷卻效果降低&截取5*%<%與5I平面夾角為Q"e%與53平面夾角為律%如圖Q'圖%'圖T&#%e%基于各射流孔結(jié)構(gòu)的對稱性%模擬區(qū)域?qū)挾认迗DQ為圓柱孔三種吹風(fēng)比工況下對應(yīng)的速度矢為$>%<&為避免進(jìn)口效應(yīng)%對射流的模擬擴(kuò)展至上量圖&圖Q可見%有明顯的腎型渦形成%吹風(fēng)比大時(shí)游集氣室入口

7、%該部件長B<%高Q<%采用鉛垂向".腎型渦更強(qiáng)%射流的反向?qū)ΨQ渦靠近射流軸線%渦中方向#進(jìn)氣&心離壁面距離最大%已經(jīng)體現(xiàn)了一定的抬離現(xiàn)象&$>#!湍流模型及網(wǎng)格在中心線的兩側(cè)腎型渦的卷吸作用明顯%使得冷卻鑒于V0+,2G+,0Y-$湍流模型在氣膜冷卻的數(shù)射流抬離了壁面%這也正是后文給出的圖R"+#中為(!%R)值研究中可獲得較可靠的結(jié)果%本文也選擇V06何吹風(fēng)比的增加會(huì)導(dǎo)致在5*