X型桁架阵列通道流动及传热性能的数值研究

席雷,徐亮,高建民,赵振,李云龙

(西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室,710049,西安)

随着未来先进燃气轮机性能的不断提高,涡轮叶片的冷却技术和结构强度将面临着更大的挑战[1]。为保证燃气轮机涡轮叶片的安全可靠运行,亟需研究既能提高叶片冷却效率,又能提升叶片结构强度的新型冷却方式。

桁架单元是近年来出现的一种多功能结构拓扑优化下产生的性能优异的构型,其典型形式有四面体、金字塔和Kagome等[2]。桁架单元通过周期性地阵列布置而组成桁架阵列结构,文献表明桁架阵列结构具有高比强度、高比刚度等优异机械力学性能[3-4]以及优良的导热和对流传热性能[5]。如果将桁架阵列结构应用于涡轮叶片内部冷却之中,定能够在增强叶片强度的同时有效地提高叶片的冷却效率。

目前,一些学者开展了有关桁架阵列通道流动及传热性能的研究。Kim等对Kagome型桁架阵列结构的压力损失和传热特性进行了实验和数值研究[6-7]。Lu等综述了具有承载和主动冷却能力的周期性桁架阵列芯体的金属夹层结构的热特性[8]。Wadley等通过研究指出,桁架阵列结构的传热能力是金属泡沫材料的3倍[9]。Joo等指出,编织Kagome桁架阵列夹芯结构的传热系数主要受到开口面积比的影响[10]。Shen等研究指出在相同的压力损失下,单层Kagome桁架阵列夹芯板的传热系数较金属丝编织Kagome夹芯板提高了26%～31%[11]。Wei等研究得到了不同温度下四面体桁架阵列结构的等效导热系数[12]。……