周向喷嘴数对旋流冷却流动传热特性的影响

吴凡, 杜长河, 王杰枫, 范小军, 李亮

(西安交通大学叶轮机械研究所, 710049, 西安)

燃气轮机具有占地面积小、功率密度大、启动速度快等优点,被广泛应用于发电行业、航空动力、舰船推动、燃气输运、分布式能源等领域[1]。目前,提高燃气透平进口温度是提高燃气轮机效率的有效措施。由于燃气透平进口温度的不断提高,燃气透平叶片材料已经不能承受,因此必须对叶片进行冷却。叶片前缘区域受到高温燃气的直接冲刷,换热强度比较高,所以对叶片前缘冷却的要求更加严格。旋流冷却作为一种新型的叶片前缘冷却方式,具有流动阻力小、冷却能力强和传热分布均匀等优点[2],已成为叶片前缘冷却的重要研究方向。

Kreith等首次研究了圆管内旋转流动的摩擦阻力和传热特性,发现旋转流动会产生较大径向速度梯度,并且减薄热边界层,因而冷气与壁面的传热强度明显提高[3]。Glezer等首次将旋转流动引入到燃气透平叶片冷却应用中,并提出了叶片前缘的旋流冷却结构[4]。Ligrani等通过实验指出旋流冷却的高传热特性和Gortler涡对密切相连,随着旋流腔内冷气雷诺数的变大,Gortler涡对不稳定性升高、数量有所增加,所以传热强度明显提高[5]。Khalatov等通过实验观察了轴向不同喷嘴数和旋流腔出口结构下旋流腔的传热特性、流动情况和压力损失,并得出旋流腔进出口结构会对旋流冷却有所影响[6]。杜长河等通过数值研究提出了旋流冷却的径向对流原理,系统地研究了冷气雷诺数、来流温比等气动参数和喷嘴长宽比、高度、轴向数目以及冷气喷射角度对旋流冷却特性的影响[7-9]。Mousavi等通过改变周向喷嘴数目分别对简单圆管旋流冷却和双旋流冷却结构进行了的数值模拟研究[10]。

目前,针对旋流冷却中进口喷嘴的研究大多集中于喷嘴长宽比、高度、面积大小以及轴向布置不同喷嘴数目等方面,而对于在旋流腔周向布置不同的喷嘴数的对比分析鲜有发表。有研究表明,周向喷嘴数对旋流冷却流动和传热特性会产生显著的影响[10],但该研究中数值计算的进口边界条件设置不合理,并没有深入地探究周向喷嘴数对旋流冷却流动和传热的影响机理。针对上述问题,本文以Ling等实验所用的叶片前缘冷却结构[11]为基础,对叶片前缘的旋流冷却结构进行了简化。在相同的质量流量和喷嘴长宽比的条件下,利用数值计算方法研究了在旋流腔周向布置不同喷嘴数的基本机理,并深入分析了流动和传热特性,旨在说明在周向布置多个喷嘴的冷却结构的优缺点,为优化叶片前缘冷却提供新的思路。

1 计算模型和数值方法

图1给出在旋流腔的平面模型示意图。图1中旋流腔长度L为525 mm,旋流腔直径Dh为70 mm,喷嘴进口2距叶顶距离f为245 mm,进、出口高h为100 mm,出口长c为35 mm,出口宽e为9.38 mm。在出口总质量流量和喷嘴长宽比不变的条件下,本文通过改变旋流腔周向喷嘴数n、进口长b、进口宽d和喷嘴夹角α,分两种情形对旋流冷却的流动和传热特性进行了对比分析。保持喷嘴的几何尺寸不变时,喷嘴的各项几何参数如表1所示。保持喷嘴进口总面积不变时,喷嘴的各项几何参数如表2所示。图2给出了周向喷嘴数n=1,4时的三维模型图。当保持喷嘴几何尺寸不变时,在旋流腔周向布置4个喷嘴,当保持喷嘴进口总面积不变时,改变n同时保证了每个喷嘴的几何尺寸一致。

图1 旋流腔几何模型

nb/mmd/mmα/(°)1354.6902354.691803354.691204354.69905354.6972

(a)n=1

(c)保持喷嘴进口总面积不变,n=4图2 n=1,4时的三维模型

图3给出了保持喷嘴几何不变时周向喷嘴数n=4的网格图。本文所有模型的计算网格都采用ICEM软件进行六面体结构化网格划分,主体网格采用H型网格划分,在叶根和叶顶处采用碟型网格划分,在喷嘴与旋流腔相切处采用Y型网格划分。

为了提高网格质量,对近壁面处网格进行加密,保证y+在1附近。采用ANSYS CFX软件对三维稳态RANS方程进行求解,设置求解精度为二阶,冷却工质选用理想气体,采用多重网格收敛技术和时间推进法加快收敛速度。文献[12]指出,对于计算圆管内旋流冷却问题,标准k-ω湍流模型具有最佳的计算精度,因此本文采用标准k-ω湍流模型进行计算。在CFX中设置边界条件如下:冷气进口总温为350 K,湍流强度为5%,并给定进口质量流量,保证出口总质量流量相同,出口平均静压为0.11 MPa,传热靶面的恒定温度为500 K,其他壁面均为绝热,所有壁面都保持速度无滑移。

表2 保持喷嘴进口总面积不变时的喷嘴几何参数

图3 保持喷嘴几何尺寸不变、n=4时的网格

定义进口雷诺数

Rej=ρVjDj/μ

(1)

式中:ρ为冷气密度;Vj冷气进口喷射速度;μ为动力黏性系数;Dj为喷嘴进口水力直径。

利用Nu来表示换热强度,即

Nu=qwDh/(Tin-Tw)λ

(2)

式中:qw为靶面热流密度;Tin为进口总温;Tw为旋流腔靶面温度;λ为导热系数;Dh为旋流腔横截面水力直径。

根据无量纲静压系数Cps来描述冷气的静压,即

Cps=(P-Pso)/(Ptj-Pso)

(3)

式中:P为冷气静压;Pso为出口静压:Ptj为进口总压。

本文选取n=1的几何模型进行网格无关性验证,选取的网格数分别为280、360、420和502万。图4给出了n=1时不同网格数下展向平均Nu沿无量纲长度的变化曲线,当网格数大于360万时,计算结果对网格数不敏感,故选用网格数为360万的网格进行计算。

图4 展向平均Nu沿无量纲长度的变化

2 结果分析

2.1 流动特性的对比分析

由于冷气进口总面积都相同,在相同的流量情况下,每个喷嘴进口的冷气速度大致相同。由图5b可知:随着n的增多,为保持喷嘴进口总面积不变,每个喷嘴进口截面的宽度d逐渐减小;冷气速度梯度沿半径方向逐渐变大,冷气沿周向多个喷嘴切向进入旋流腔,以相同速度冲刷壁面边界层,阻碍壁面的边界层发展,冷气速度沿周向衰减变慢,冷气在旋流腔壁面保持高速流动。

(a)保持喷嘴几何尺寸不变

(b)保持喷嘴进口总面积不变图时进口1的XZ截面流线和速度云图

图6给出了保持喷嘴进口总面积不变时旋流腔三维流线。由图6可知,冷气以较高速度切向射入旋流腔中形成旋流,并在腔体内旋转向下游流动,随着n的增多,流线分布规律大致相同。从喷嘴进口1喷射出来的冷气流线先径向向内收缩,然后径向向外扩张,而且周向喷嘴数几乎不影响喷嘴进口2的冷气流线分布,而当周向布置多个喷嘴时,冷气流线径向向内收缩更明显。这是由于冷气沿周向多个喷嘴进入冷气腔时,周向相邻喷嘴喷射出的冷气会产生冲击作用,进而造成冷气间的动量损失。此外,喷嘴进口2喷射出来的高速气流和上游冷气发生动量交换,并且靠近出口位置压力较低,下游冷气周向速度增大,导致离心力增大,所以冷气流线径向向外扩张。当周向布置多个喷嘴时,从喷嘴进口1喷射出来的冷气流线在旋流腔下游沿轴向拉伸距离变短。这说明下游冷气抗横流作用增强,有利于旋流腔的均匀换热。

图6 保持喷嘴进口面积不变时旋流腔三维流线图

图7给出了改变n时XY截面流线和速度云图。由图7a可知,随着n的增多,喷嘴进口冷气速度逐渐减小,冷气速度分布更均匀,冷气湍流强度减少。沿轴向下游,当n>2时冷气涡数目发生骤降,当n=3时冷气涡数量为6,n=4时冷气涡数量为2,n=5时冷气涡数量降为1,而n=2时冷气涡数量为8,在进口1附近冷气涡直径有所减小。

(a)保持喷嘴几何尺寸不变 (b)保持喷嘴进口总面积不变图7 改变周向喷嘴数n时XY截面流线和速度云图

由图7b可知,当n增多时,喷嘴进口2和出口之间的冷气涡结构受到的影响很小,在喷嘴进口1附近的涡系结构受到影响较大。在喷嘴进口1附近,冷气涡数量随n的增多呈现先增加后减少的趋势,并且在n=2时达到最大。当n=1时冷气涡数量为3,当n=2时冷气涡数量为8,当n>2时冷气涡数量为5,冷气涡的尺度则呈现先减小后增大的趋势,当n=1时冷气涡直径最大,n=2时冷气涡直径最小,当n>2时冷气涡直径几乎不变,但相比于n=2时有所增加。

(a)保持喷嘴几何尺寸不变

(b)保持喷嘴进口总面积不变图8 改变n时静压系数的变化

2.2 传热特性的对比分析

图9给出了改变周向喷嘴数n时靶面Nu云图分布。由图9a中可知:随着n的增多,进口冷气的喷射速度逐渐减小;导致冲刷壁面边界层作用减弱,热边界层变厚,高传热区的换热强度显著减小,但靶面的传热均匀性随之变好。此外,由于进口喷射速度的减小,下游冷气受到上游冷气的轴向冲击作用增强,导致高换热区向轴向下游倾斜更明显。

由图9b可知,当保持喷嘴进口总面积都不变时,沿周向布置的每个进口的冷气速度大致相同,在喷嘴进口处的传热强度大致相同,随着n的增多,冷气沿周向多个喷嘴高速射入,从不同角度冲刷热边界层,在喷嘴处高传热区沿周向衰减变慢,高传热区沿圆周分布更加均匀。因此,随着n的增多,高传热区面积在n=2时最大,而当n>2时,高传热区面积略有减小。此外,在喷嘴进口段附近,靶面的传热强度高且更加均匀,从而可以对实际叶片前缘高温滞止区实施更为有效的冷却。

(a)保持喷嘴几何尺寸不变 (b)保持喷嘴进口总面积不变图9 改变周向喷嘴数n时靶面Nu云图

(a)保持喷嘴几何尺寸不变

(b)保持喷嘴进口总面积不变图10 改变周向喷嘴数n时展向平均Nu沿的变化

表3给出了改变周向喷嘴数n时总压损失系数和靶面平均Nu。由表3可知,当保持喷嘴几何尺寸不变时,随着n的增多,总压损失系数逐渐减小。由于实际叶片前缘有气膜孔的存在,如果总压损失过大,冷却气体将无法从气膜孔流出,说明较小的总压损失对实际叶片前缘冷却具有显著意义。此外,靶面平均Nu随n的增多逐渐减小,而当保持喷嘴进口总面积不变时,随着n的增多,总压损失系数逐渐增加,但是增幅不大。对于靶面平均Nu数,在n=2时最大,这是由于在n=2时高传热区面积最大,而当喷嘴数n>2时,靶面平均Nu相差不大。

表3 改变n时总压损失系数和靶面平均Nu

3 结 论

本文建立了在周向布置多个喷嘴数的叶片前缘旋流冷却模型。在相同质量流量和喷嘴长宽比条件下,采用数值计算方法研究了两种情况下改变周向喷嘴数的旋流冷却机理,并对比分析了流动传热特性,得到如下主要结论。

(1)周向喷嘴数对旋流冷却流动特性产生显著影响。保持喷嘴几何尺寸不变时,随着周向喷嘴数n增加,喷嘴进口冷气流速降低,冷气流速分布更加均匀。冷气湍流强度降低,冷气总压损失逐渐减小,下游冷气受轴向横流冲击影响较大;当保持喷嘴进口总面积不变时,随着周向喷嘴数n增加,喷嘴进口冷气流速大致相同,冷气在旋流腔壁面保持高速流动,下游冷气受轴向横流冲击影响较小。由于相邻进口高速冷气间的冲击作用,冷气的总压损失逐渐增加。

(2)周向喷嘴数对旋流冷却传热特性产生显著影响。保持喷嘴几何尺寸不变时,随着周向喷嘴数n增加,靶面平均传热强度逐渐减小,但传热均匀性随之变好。保持喷嘴进口总面积不变时,当n=2时,靶面平均传热强度最高;当n>2时,靶面平均传热强度几乎不变,相比于n=2时略有降低,相比于n=1时有所增加。此外,在整个喷嘴进口圆周附近,靶面的传热强度高且分布更加均匀。

(3)当保持喷嘴几何尺寸不变时,随着周向喷嘴数n的增加,靶面平均Nu和总压损失系数都逐渐减小;增加周向喷嘴数在减小冷气流动损失的同时,会降低冷却效果;相比于n=1,2时靶面平均Nu降低16.51%,总压损失系数降低了46.29%。保持喷嘴进口总面积不变时,随着周向喷嘴数n的增加,靶面平均Nu变化较小,总压损失系数则逐渐增大;增加周向喷嘴数对提高冷却效果影响较小,同时会增大冷气流动损失;相比于n=1,2时靶面平均Nu提高了3.1%,但总压损失系数升高了11.29%。

综上所述,周向喷嘴数n=2时,旋流冷却结构具有优良的流动和传热性能。