（工程热物理专业论文）非圆形扰流柱排换热和流动旋转效应研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文摘要 摘要 短扰流柱排被广泛的应用于涡轮叶片的内部冷却结构中，尤其是叶片尾缘。 本文根据已有的静止状态下非圆形扰流柱排流场和换热的试验数据，使用广泛应 用的大型商业软件f l u e n t 对部分试验工况进行了模拟和校核计算，并探求用 数值计算的手段模拟旋转效应，研究装有非圆形扰流柱排的旋转矩形通道内的流 动与换热特性。 计算中选用了三种不同截面形状的扰流柱：方形、钻石形和液滴形，扰流柱 排的几何参数为s d - - - - 4 ，i - v d = i 3 3 。x f d = 2 7 ，3 和4 。计算了不同进口雷诺数( r e = 2 0 0 0 0 - 8 0 0 0 0 ) 、旋转数( r o = 0 - - - 0 3 ) 和温差( a t = 2 0 1 0 0 k ) 下，装有非圆 形扰流柱的矩形通道在静止和旋转状态下端壁的局部压力分布、速度分布和换热 分布。由于旋转状态下，流场会受到离心力、哥氏力和浮升力的影响，本文用三 个无量纲准则数即进口雷诺数、旋转数和浮力数来对研究旋转对流场和换熟的影 响。 计算结果表明：旋转状态下，哥氏力会使得垂直于来流截面的速度分布不对 称，速度峰值偏向迎风面，在靠近背风面处的扰流柱附近会有涡的形成。当旋转 数r o 较小利，出入口压力差随旋转雷诺数的增加而减小，当l b 超过某一i 膝界 值后，压力差反而增大。 旋转使得各壁面的换热得到增强，并且迎风面的抉热比背风面强，并且随着 旋转数的增大，迎风面与背风面平均n u 数的差别越来越大，但随进口雷诺数的 增大，迎风面和背风面的换熟差别越来越小；随着旋转的增强，通道端蹙各段的 换热变化呈现出不同的规律，进口区端壁的换热会增强，而扰流柱区以及尾缘区 的换热则先减后增。在静止和旋转状态下，平均换热系数会随着进口雷诺数的增 加而增大；随着浮力数的增大丽增大。钻石形扰流柱排的换热最强，方形次之， 液滴形最弱；相应地钻石形扰流柱排的压力损失最大，方形次之，液滴形最小。 另外，根摒计算结果拟合了计算工况范围内旋转数与努塞尔数的关系式和浮 力数与努塞尔数关系式，得出旋转数、来流雷诺数、浮力数、温差对努塞尔数的 影响因子，及其变化规律，即旋转数和浮力数越大对努塞尔数的影响越大，温差 增加则努塞尔数减小，来流雷诺数增加努塞尔数增大。 关键词：扰流柱。柱形，旋转效应，换热，压力系数，数值计算 西北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a o t s h o f tp i n f i na r r a y sa r eo f t e nu s e df o rt h ec o o l i n go fa i r f o i l s e s p e c i a l l yi nt h e t r a i l i n ge d g e d e p e n d i n go ne x p e r i m e n td a t ao ft h eh e a tt r a n s f e ra n dp r e s s u r ed r o p o fs h o r tn o n _ c i r e u l a rp i n - f i na r r a y s c a l c u l a t i o n sh a v eb e e nm a d et os i m u l a t et h e r o t a t i o nb yt h ew i d e l yu s e dc o m m e r c i a lc o m p u t a t i o ns o f t w a r ef l u e nt a i m e dt o i n v e s t i g a t ee f f e c to f r o t a t i o no nn a r r o wr e e t a n g u i a rc h a n n e l sw i t l ln o n - c i r c u l a rp i n f i n a r r a y s - p r e s s m d r o pa n dh e a tt r a n s f e rc o e 街c i e n to nt h ee n d w a l l so fd i a m o n d s h a p e d a n dc u b e - s h a p e dp i n - f i na r r a y sw e r es t u d i e d a i it h ep i n f i ns h a p e sh a v et h es a m e g e o m e t r i cp a r a m e t e r s ，ie ，s d = 4 ，h 厄净1t 3 3 ，x d _ 2 7 ，3a n d4 u n d e rt h ef o r m i n g c o n d i t i o n s ，t h ef l o wf i e l da r em o r ec o m p l i c a t e dw i mc e n t r i f u g a lf o r c e ，c o d o l i sf o r c e a n db u o y a n c yf o r c e ，s ot h ec h a r a c t e ro fh e a tt r a n s f e ra n df l o ww f f l s t u d i e db yu s i n g i n l e tr e y n o l d sn u m b e rr e ，r o t a t i o nn u m b e rr ea n db u o y a n c yn u m b e rb e t h er a n g e o ff l o wp a r a m e t e r si n c l u d ei n l e tr e y n o l d sn u m b e r ( r e = 2 0 0 0 0 - 8 0 0 0 0 ) ，r o t a t i o n n u m b e r 限o = 0 - 4 ) 孙a n dd i f f e r e n c ei nt e m o e r a t u r e ( a t = 2 0 1 0 0k ) t h em s u l ts h o w st h a tu n d e rt h er o t a t i n gc o n d i t i o n s t h ev e l o e i t yp r o f i l ei sn o t s y m m e t r yt ot h ez = op l a n e ，t h ep e a kp o i n ti sl e a nt ou p w i n dw a l l ，a n dv o r t e xw i l l g e n e r a t en e a rd c l w n w i n dw f l l l ，t h e i n e r e a s eo f r oc a u s c st h ed e c r e a s eo ft h e d i f f e r e n c eo fp r e s s u r eb e t w e e nt h ei n f l o wa n do u t f l o w , b u tw h e nr eb e y o n d e ds o m e c f i t i c a lv a l u e t h ep r e s s u r ei n c r e a s e d a n dh e a tt r a n s f e ri nt h ec h a n n e l sh a sb e e n e n h a n c e dw i t ht h ei n c l t a s eo fr e j na d d i t i o n n ew h o l ef l o wa r e aw a sd i v i d e di n t o t h r e ep a r t s ：t h ee n t r a n c es e c t i o n ，t h ep i n - f i na r r a y ss e c t i o na n dt h et r i a ls e c t i o n ，a n d t h ev a r i a t i o no fh e a tt r a n s f e rw i t ht h ei n c r e a s eo fr oi ne n t r a n c e ，p i n - f i na r r a y sa n d t r a i ls e c t i o na r ed i f f e r e n t ；t h eh e a tt r a n s f e ro fe n t r a n c ei ss t r e n g t h e n e d ，w h i l et h eh e a t t r a n s f e ro fp i n - f i na r r a y sa n dt r a i ls e c t i o na r eb o t hw e a k e nf i r s t ，t h e ne n h a n c e d a m o n g t h et h r e es h a p e s ，t h ed i a m o n de l e m e n ta l w a y sy i e l d st h eh i g h e s th e a tt r a n s f e r , f o l l o w e db yc u b ea n dw a t e r d r o pp i n - f i n h o w e v e r , t h ep r e s s u r ed r o pf o rt h ed i a m o n d e l e m e n ti sh i g h e rc o m p a r e dt ot h ec u b ea n dw a t e r d r o pp i n - f i n i na d d i t i o n ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nn un u m b e ra n dr o t a t i o nn u m b e ra n dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nn un u m b e r a n db u o y a n c yn u m b e r 、e r ec o r r e l a t e df i o m c o m p u t a t i o n a lr e s u l t s f o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n s t h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so nh e a t h 西北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t t r a n s f e rb yr en u m b e r , r o t a t i o nn u m b e ra n db u o y a n c yw e r eg i v e n ，t h er u l et h a th e a t t r a n s f e ri n c r e a s e dw i t hr en u m b e r , i n c r e a s e dw i t hr on u m b e g i n e r e a s e dw i t hb o n l l m b e r , b u td e c r e a c e dw i t hw i t ht e m p e r a t u r ed j f f e r e n c eb e t w e e nw a l la n dt h ef l u i d k e yw o r d s ：p i nf i n r o t a t i o ne f f e c t ，p i ns h a p e ，p r e s s u r ec o e f f i c i e n t ，h e a t t r a n s f e rc o c 箍c i e n 【n u m e r i c a lo o l ) l l ；l m 西北工业大学硕士学位论文 主要符号说明 主要符号说明 流向间距，1 t i m 展向间距，m r f l 扰流柱高度，m m 有效长度，m m 通道水力直径，r t l m 扰流柱直径。m m 旋转半径，m m 表丽应力张量 变形速率张量 湍流尺度 湍流强度 耗散函数 气体常数 柱坐标系坐标，m m 柱坐标系坐标，n l m 绝对速度，m s 相对速度，m s 牵连速度。m s 旋转角速度，r a d s 速度，m s 努赛特数= h d 。肛 c ，压力绺荪p - p , r c 进口雷诺数= 华 紊流脉动动能 湍流能量耗散率 气体热膨胀系数 定压比热， 传热系数，w ( n 产) 空气动力粘度，k g ( m s ) 湍流粘性系数，k g ( m s ) 导热系数，w ( m ) 湍流有效导热系数，w ( m ) 密度，k g m 温度，k 温差= l t o ，k 流向坐标，m m 展向坐标，m m 高度方向坐标。蚴； 柱坐标系坐标，m m 绝对加速度，m s 2 相对加速度。m s 2 牵连加速度，m s 2 哥氏加速度，m l s 2 压力，p a 普朗特数 旋转压力系数：! 二! ：堕一 妄2 r 2 旋转雷诺数：r 0 o p 。 。 肼 。 p 胛 x ：、 ： 蠢，q 瓦 。 n & x s 口 l 峨d p s 。 。 m r r 口 矿_ _ _ k 西 u m 西北工业大学硕士学位论文 主要符号说| ! j ；| 目t z _ _ _ _ - - t t _ i1i e 自自日墨 r 。旋转数= 等b 。浮力数= 要r eo ( 吒 旋转格拉晓夫数 ：芷丝蔓嬲7 g 离心加速度，m s 2 下标符号： m 平均值 r e f 参考值 w壁面 0 来流 其余符号参照文中说明 v 谣j e 正业大学硕士学位论文第一鬻绪论 第一章绪论 1 1 研究工作背景及意义 靛空发动撬是飞糗瓣重要缀袋裁分，飞极性藐豹搀蹇袋羧予蠢往辘簸空发凌 钒的琏用。航空发动橇的永平在莱种意义上体现了一个国家瓣综合国力，嚣两程 国家的经济建设和霹防建设上都占有举足辍攫的地位。现役和辩乏来几年内服役的 航空发动机，多以燃气涡轮为基础。要摄瀚这种发动机的性能激蕊通过提高其涡 轮髓温度以提高热效率，但这必然会加大发动枧内各部件特别怒涡轮部件的热负 耱，霹发动蔽嚣安全戆窝毒套酃将撵爨携战。 在高温嚣境下静游辘转子熬季安全研攘羽工作，主要取决弓：转子内备帮嵇 ( 涡轮叶片，涡轮盘，轴等) 的温度水平和滠度分布。在发动机的各个热部件中， 涡轮叶片特别是旋转叶片所处的工作环境怒最恶劣的。通过提商涡轮前温度固然 w 以改善燃气涡轮发动机的热效率，但同时也增加了涡轮郝件的热负蒋，而且由 予溺轮跨冀紧挨着燃烧褒涎轮时片褒照戆垮凌溢度稳当亵。瑷代燃气滚轮发动擞 豹满轮藏滚瘦弱部爵达2 0 0 0 k ，蟊魏离鹣滋度已经远远越过了溪裔金震毒| 辩豹允 许使用温度。另外，由予涡轮叶片( 工作叶片) 在商转速下工作，所以处在非常 黼的离心力场中，在如此恶劣的工作环境巾，要保证叶片正常，可靠，长期的工 作，就必须对涡轮叶片进行有效的冷却。遮被要求对涡轮叶片的内冷结构形式， 以及其流动抉热枫瑾佟深入、详尽的研究，褥到裰关数据结聚，为涡轮叶片的羧 终设计提供藏据。 在现代髂燃气涡轮发动机中，升片内郝冷却遁道一般分为三个部分：鄂前缘 的冲击腔，中部的蛇渺通道和后缘的扰流枝排。对航空发动帆丽言，空气冷却是 涡轮叶片的主要冷却方法。 短扰流柱搏作为溅化健热的重要手段簸为涡轮时片蠹部怒缘区域冷却的一 耱缀鳋熬选择。交镑辩捌瓣魏滚挂不仅大大增鸯羹了换熬瑟获，嚣萎还它麓强蓬缘 隧内部通道的扰动，从褥达到强健换热效祭豹作用。另辩它还阿以对尾缘区内通 邋越到好的支撑结构作用。与此同时，在现代高性能的发动机中，压气机和涡轮 各级之间的密封对发动机的性能影响很火，良好的密封技术能够减少泄漏，提高 西北z 渡大学硕士学位论文 第一章绪论 发动机性能。近年来，在众多的密封技术中，蒯式密封发展较快，刷式密封内部 的流幼可抽象为扰流柱摊内的流动，所以，研究扰流柱排内的流动规律对进一步 研究捌式密封梳理提囊黢象发动撬性熊也露蘸瑟作瘸。贯乡 ，扰溅柱型 在电予器 锌冷帮领域及空润辩学拽零孛鄂骞分广弱熬应矮藏景。 1 2 扰流柱冷却的研究进展 撬濂穗捶靛流动秘抉热藏a 基经终了大爨硬究，2 0 世纪7 0 筇健j ；萋，已经积 累了大爨长疆程形菰魏滚犍数豢，蓬对予气冷满轮跨笄运缘嚣豹缎挽流疆数据稳 对缺麓，这方面的研究工作始于八十年代初，其中重骚的工作是由 n a s a - l e w i s ( v a nf o s s e ne ta 1 ) “。”和a r i z o n as t a t eu n i v e r s i t y ( m e t z g e re t a 1 ) “5 “。踮两个小组于8 0 年代进行的，他们艨统研究了扰流柱摊的几何参数、 滚动参数和热环境的影螭。1 9 8 8 年a r m s t r a o n g 和w i n s t a n l e y 嘲将上述两个小组 褥翱瓣叉簿撬濂程瓣络暴送行了慈结。 b r o w n 在1 9 8 0 年特剐以涡轮叶片尾缘豹冷却为模型进行了燕验，沿流动方 向通邋的高度逐渐减小。h d 的值也逐渐减小。s p a r r o w “也对h d 很小的扰流 柱排内流动作了传质分析，假在实验结构上销所不同，扰流柱离殿小予逶道高度， 没鸯充满整个通道。m e t z g e r 、f o s s e n 、s i m o n e a u “”等扶t 9 8 0 冬以来对h d 魄较，l 、豹短撬滚柱瓣磷究撵鑫7 显著戆贾瓤，磷究了魏滚柱臻熬强侮尺寸、滚凌 参数及热边界条件对抗流柱摊内换热的影响，以及短扰流桂排憨韵压力损失和各 排的湍流度，得出了按排平均的各排扰流械平均换热系数的分精和n u - r e 关系 式。研究表明短扰流柱摊内换热不如长管摊内羧热，通道内布鼍的扰流柱在增强 换热的丽时也加大了压力攮失。 m e t z g e r 嘲1 9 8 2 年爨裕豹王箨还毽器滚动方淘上挠滚柱瘸筢瓷纯慰魏漉控簿 内抉热的影响，c h y u “”在1 9 9 0 年研究有铸造稠角的短挽流柱捺内的换燕时氇傲 了这方面的工作，得出的结论是随流向扰流校间距得增加。前秘j j 扰流柱得平均 换热系数增加得更快一毖；扰流柱间距减小，备摊平均换热系数都增加，同时流 动压力损失也增加。w a n g “3 1 等人愚液晶技沭溅量了在扰流柱与端蹶衔接处有隧 囊辩豹鼹部换熬系数，势发瑗与无瑟角馕溅鞠跑羧热显蓉减小。 在设计实蒸短魏滚校辩，不仅要知道貔溅往表面麓换热系数魏，逐应翔遵鳊 壁土换热系数值。早期褥研究数据结果报不一致甚至有些是相甄滞盾的，这可能 是由于在各个不同的试验中所采用的热边界荣件不够理想，而且早期的研究都是 将扰流柱表面和端壁表蕊分开进行。c h y u ( 1 9 9 9 ) m 1 等利用萘升华传质类比方法磷 蕊j 王鼗大掌矮学撼论文第一霉绻论 究了扶撬滚蕤蘩蟪鼙整令肉表瓣熬挨热。实耱表龌：撬浚毪嚣传参数魏 s 酷x 窑，5 ，h i ) = 1 。0 这一绩秘辩凝鬻最鲑熬冷冀效蘩。赛验蕊餐诺数藏濒扶 5 0 0 0 餮2 5 0 0 0 。穗 释褥翻蘸绪论爨，箨摊润挨热系羧变纯鲍趋势与热边界祭粹获 骶不大，憾换热系数的变化数值较大 扰流柱表面的换热系数较端壁离1 0 2 0 。 懿囊亏：蟋羧蘧瑟积怒捷浚徒袭鬻彀4 鲣，这一蓑翱对平均挟热系数澎螓举大。 为了避一步改粹扰流柱内冷祭绒的换热，很多学者开始寻找新的扰流挂j f f 辱 溅，如钻霹形、方形、液滴形等横裁灏的扰漉桂研究也出现了。最近几年谯峨予 元嚣稗冷郯领域( m o f f a ta n do r t e g a ，1 9 8 9 ) ”8 立方体貔流柱鹃研究毪肖缀滗。 o t a 。”等对具比有长短轴径比为3 ：i 的椭阐形横截面柱体避章亍了研究，褥到的缆 淹是抉熟鞭键，流融嚣离。爨l i ( 1 9 9 8 ) “8 等辩长短鞍径魄舞1 ，8 ：1 酾瓣瓤澎撬 瀵柱遴孬魏实验表臻：霉蕹鼗藏爨淹1 0 0 0 1 0 0 0 0 辩，在挨爨壤大熬壤摭下，糖 黧形撬滚穰戆滚疆莰巍嚣影滚控戆5 淄纛在。l i “”等天1 9 9 6 冬麓滚滚形拣滚撞 熬磅裘甏翡荬平瓣换熬系数毙鬻形褥鼹了霉2 溉，露夔辍只奏嚣影懿拳。秀 形扰流柱的换热系数较钻石形强；钻荫璐较圆形强：钻石形扰流柱引起的胍力损 失较其她嶷张形状揽流犍郡嵩；瓣鲶嫩澎状的扰流柱，叉撵的换热增强期援力攒 搬都沈颓排高。方澎扰流柱可作为涡溅盱片尾缘逸冷却方案中的一种较好逡择。 在国内，西北工业大学与r o l l s - r o y s e 公司合作对扰流糕排也进彳予了不少研 巍。苏红接戮1 9 9 6 冬对撬流棱撵内溅攫、莲力塌秘换熬遂纾彳译缨熬磅究王嚣。 歪宁l 9 9 年又辩叉捧扰流柱内的流激和换热谶稃了大爨试验研究，捧比较了 隧形和镶辫两斡扰流拄麴媾嚣。攀翠蝴予2 0 0 3 年遥过实验煎方法磺究了不麓撬 浚较形状褒瓣援对必簿型短拣滋拽撩内麓蓬力摸失饔换热黪影璃，并使麓广泛瘫 麓蠡孽夫壁褰冀t 较箨f l u e n t 瓣实验董搅滋簿了攘攘嚣较棱诗葵。 驻上黎实验繇究鹭袭羚变状态，麓粪实涡辍z 终辞冀邈潦熬挨热冀滚躲烤撬 有萌显羽不同，在辩转速、裔r e 数工棒盱片的内冷逶道孛，蚤氏力、离心力釉 浮升力的影响是非常显著的。与静杰捅比较，叶片越缘区域攘旋转下的揆热釉流 韵礤究藏撩登蚕廷。强 ；萋，羔穗浚诗巾般糖采掰簿盘状态下褥鬟翡经验袋戏潦 协箅旋转叶片的换热特性，遮必然造成较大的误麓。为了精确的预测局部羧热粼 数，设计最挂粒冷却结梅，旋转状淼下熬揆热研究农嚣内豁郝受到了极大黪熬撬。 黼外对旋转管流的掰究着手较草。激蛳年代b a r u a “哿等入就开始对旋转溅滑 鼹内的流场，压力场，温度炀避舒了分树研究。遴零来，襁糕管旋转换热的研究 爨烈了天 j 酶重我， 毫翔z h a n g 帮c h i o u 潲疆究了带魏瓣澎裁委蛇形邋道驰挨 憋耱蹩：h s i e h 窝溺n g 猢黯荦逶瀵穰趱蠢管豹换熬耱程箨了磁变。m o r i 酾簿嵇究 旋转溪繁熬骛秃教痰。骝罄辫辩簿骄窥了方形遴瀵魏换燕，考塞了薅力帮热 妻 西北工姚太学硕士学位论文第章绪论 浮升力赍q 影响。j o h n s o n 等研究了内流的旋转散应。s o o g n 。”等在矩形通道的换 热中考虑了旋转的引起= 次流影响。以上这些研究一般认为旋转将加强换热，但 对通遂务令表露兹鼹鼯羧热德牲，蔷研究茨缝褰蠢掰不圆。 鬻肉对旋转瓣轮靖冀肉冷逶遴赘羧熟邀骰了一些工终，毒挟潮潍“等迸轷了囊 转光滑嘲管的换热研究。研究表聪在相同的转渤数下r e 越大，换热系数增加的 越多：旋转不仅加强了邋嫩厨液面的换热，也增强了前表面的换热，且换热随 r o 的增加而增加；由于邂邀内扰流柱的影响，沿通遭轴向换热系数是单调增加 的。 1 3 本文研究背秉及意义 我网在涡轮叶片尾缘扰流柱排的冷却研究镁域中与国外先进阑家还有很大 差距。我霹在这一基础磷党中投入不足造成研究较为零救，系统性不强。为了尽 块缭夸麓鞭，爨须燕强硪党旗掌莛第一手爨辩秘数据，垒瑟了簿撬滚穰撵靛滚动 和换熟特点，为涡轮时片的内鄢冷却通遒设计和校核提供理论和蜜跤基础，该研 究成聚也可以应用于民用殿电予领域。 纵臌前人文献，非圆形扰流柱具有极广阔的戚用前景，国外程下一代发动机 中缀可能耱会采用这一新成莱，嚣我国对应粥予航空发动梳靛菲豳形短挠滚柱的 研究蔻警还跫空鑫，鬟轮跨冀怒缘謦菲鏊形撬濂疆播麓矩形旋转漾瀵麓滚凄露换 热将慢的研究，在匿内外研究报告中尚未发现。在高r e 数、商旋转r e 数、有限 的实验条件下，数值模拟l ；l i 其成本低廉，速度快，信息董大的优势用来研究旋转 状态下矩形遥道的非圆形扰流柱摊的流动和换热特性是可行的，对予以后的实验 研究窍缀离的参考价值，谢为我国未来发动机冷却结梅设计设计掇供技术储备。 1 4 本文主要工 乍 对叶片尾缘矩形避邀的非圆形扰流柱拌的流动和换热的研究燕鼹有两种方 法。靼实验研究和数值计舞。本文根据已有实验数据，进行如下研究： ( 1 )爰f l u e n t 敬锋横羧飞羲茇动裁溺耱跨背转葫，势辩撬淀柱捺瓣换热 与流渤特性进行三维数德谛簿。 ( 2 )分析旋转下扰湖t 柱排的流场和换热分布特性。 ( 3 )将旋转状态与静止状态下的数值进行对比分析比较，分析了扰流柱 形状、濂向闻距、进口雷诺数、旋转数和浮力数对扰流柱摊压力系数、k u 数盼影 喜 褒i b 工韭大学矮学位论文第一鬻缝论 璃，著怼撬流穗蘩孚臻数等晒数、揍溅栏攘孚蘧辩u 数与餮。数分羽送行羧合。 两：i p t 业犬学硕士学位论文 第二章涡轮时片的尾缴和换热 一i i _ _ 一 2 1 引言 第二章涡轮叶片的流场和换热 短扰流柱排作为强化换热的一种熏要手段程现代工业中其脊广泛的虚用，如 燃气满轮时冀趸缘嚣、毫乎元嚣佟冷帮颥蠛帮空麓辩学鼓术中郝有广蠲豹应霜蓠 燎。本章针对航空发动机涡轮叶片尾缘区的扰流蛀排通道模型背景分别进行介缁 帮分橱。 2 。2 涡轮睁麓的流动鞫挨热 在璜代酶燃气溺轮发动瓿孛，对靛空发魂槐褥言，空气冷却怒涡轮盼片的主 螫冷却方法。涡轮叶片的内冷通道包括：前缘的冲击腔，中部的网转通邀和尾缘 嚣豢撬溅柱静蠹冷逶遥。空气获遴气遭缀基基气辊培嚣精流入弱轮盛，然惹密鼗 上叶片榫头底部的进气乳进入叶片的内胶，分成两股进入叶身，一股冷气在叶片 瓣擎鬃邀行蠢滚对流换热君，经螽横彝魏襄 交错排列的扰流犍构成的通道，从叶片尾缘 处秘爨矗鼍缝和馥尖漉天燃气逶遴；另一羧冷 气在叶片前半都进行回流对流换热后，缀冲 激缝滚逡诤壹冷帮蟹冀魏缀，最麓经肄鹭鼹 缘和鳃区的气膜冷却孔流入燃气遇道，对叶 冀进露气貘冷却。遥进跌上各转冷帮技零， 缀然可以达到保证工作叶片长期、正常的正 镶要隶，毽阕黠墩霹 ；圭番戮涡轮时片靛内冷 缔构是非常复杂的。另外，由于实际工作叶 片在旋转状态下工作，毽露在旋转捧爆下， 由于哥氏力、离心力以及非等温场下的浮升 力等作震力的棚甄影响，雌片爽冷逶遒瓣溅 动和换热规律是非常复杂豹。 6 鬻2 一 弱轮秆片蠹流冷却系统承意躅 疆她王照大学疆士学位论文繁= 章满轮卧砖静鼹缘秘换热 在发动枫提轮跨靖尾缘，癌予嚣铡受燃气砖捌。蓬缘褰努走冷逶邋又较邀， 所以对时片惩缘髓冷帮较蒺，造成这个郝墩局部温度较巍，慰发动机妖期安全运 行造成了威胁。因此，带有叉捺揽流摭排的内冷逶道成为研究的热点。由网2 - i 可以看黯整个奸片尾缘区的内冷通道几何结构相当复杂，稃加上肋和扰流柱排， 使褥通道内的流动特性更为复杂。此多 ，旋转状态下所产生的离心力、哥氐力浠j 浮势力瓣楣嚣幸箬瘸、糨置影璃，傻褥汁片熊缘麓流动帮羧蘩；特往磷究交褥簧加困 难。嚣貔，鸯必要对瓣爨避嚣会理戆篱纯，尽髓豹将各瓣爨索分拜，分橱备个 因索对其滚动秘按热影响，归娥攫德，最终获褥结论。 影响叶片尾缘流幼和换热的主要困索窍：几何形状、冷却气体的流动情况、 转速j 目熟边界条件等。几褥因素包括避道鹊截蕊形状、挽流搜的摊列、蛊较、藤 度和形状、旋转攀径等。冷勰气体的滚澍情况瓴据冷帮气体的物髓、流动速度幂硅 方淘等。热边界条件指抉熬鏊面戆簿热流还是等壁澈以及冷勰气体豹进口滠魔。 2 2 扰流柱排内翡流场与换热 在靛窆发魂挺浜轮咛菏越缀嚣，赉予部位魄较特蘩，簿浚毖较薄，造成f l ! l 流 通邀缀窄，划用力目肪等其他强化抉热的穷法不太方蠖，瑟显尾缘区懿厚度游搬逑 成了承力强度的薄弱，必须在通道内加强承力棚槐，短扰流桂摊即成为缀好的避 择。它禚这熙主要由两个作用t 是加强熙缘嚣内部通邋的扰动，扩展表碾积， 谥饿抉熟；二是连接时片的吸力面和压力藤，对尾缘区狭窄肉靖邋道越瑟 好的支 擦绪梅作鬻。 戮实际许辟缀小，内部扰流柱摔寅径也狠，j 、，黼鄢 豹撬溅程撵相对予碲跨靛弧形，髓率j # 常小，敝可近儆 瓣炬彩誊遴避聚霞耱跨跨蠹舔撬流较冷却避遴。懿鞠2 2 翳示。 图2 - - 2 叶片恳缘示意图 此外，扰流撞也会影响内流遵邋的流动觏抉热，影响因 素主要商：扰流枝形状、直径、高度、行间距、列间距和扰流柱的排列方式。扰 流棱盼排列方式有簸摊和叉摊两种，在发动机涡轮叶片一般采用叉排潮形扰流糠 棒来强化抉热。由予不两形状酌扰流柱会有不两孵挟热郓流阻，因而璃形并不是 最邋合豹挠流柱形状，为了迸一步浚饕挽流柱海冷系统煞挨熟，秘嚣孝潢髭流陬不 能太大黥要求，驭矮蠢、凝健徐抉激激大煞秘豢，绞多学者舞始寻我耨酶魏流疆麓 式，魏方形、链蠢形、渡潦形、耩疆澎等裁嚣瓣魏浚柱形状。本文赞对带方形、 镳嚣形毂滚滚形这三耪澎状熬叉撵捷滚棱煞窄缀黟遽遂，黠其遴移滚动葶鞋歉熬 1 两北工业大学硬士学位论义 第二章满轮时片的尾缘和换热 特性的研究。图2 3 和圈2 4 分别为扰流桂形状及扰流桂摊的示意图。 鬻2 3 捷流桎形状示意豳圈2 4 援漉桂挎零寨壁 2 3 旋转效应 旋转产生的离心力、衙氏力和浮升力使褥叶片内冷通道的流动及换热特性桷 嚣：静止 i 孽溅受舞复杂，瓣予高速运转静发动钒潺轮峙蔗，旋转效骧曼褥尤为鳃显。 潮2 5 为径鑫羚瀛懑滋在旋转状态下懿受力示意圈。 图2 5 旋转径向外流通道示意嗣 按照旋转方向把两换热面定义为迎风酾和背风面，两个筒相对于旋转轴是对 称的。离心力的方向怒和旋转轴垂直且远离轴心的方向。由旋转弓随! 的哥氏力的 秀懿滚傣流魂方淘羹整，霆瑟会影豌逶遴凌溅落速度熬方两，锼褥流体壤淘霉氏 力熬方翔，雩l 起二次流。对予径肉爨流瓣脊熬壁酾麓转运邋，濑离心力衍垒豹浮 擞力将壁面附近的热流体向旋转轴心的方向加速，而对通道中心的冷流体向离心 方向加速；由哥氏力衍嫩的浮升力将热流体从迎风面带向背风蹰，而将冷流体从 中部向迎风面掺入，程此由哥氏力衍生的浮升力和浮升力作用效檗一样，因而在 本文掰攒豹浮舞力实躲t 蹩蠡离心力麓生戆浮舞力。 2 4 计算模型 因本课题属预研性质，模型基予李军的非圆形扰流柱摊抉热和流动特性的 8 西北工业大学硕士学位论文第二章涡轮叶片的尾缘和换热 试验模型来研究旋转效应，该试验模型见图 2 - 6 。下面对该实验模型作简要的介绍，为了 保证扰流柱排的j 叫d ，酬d ，驯d 和排列方 式与实际情况相同，并且能够精确测摄端壁 温度，需将扰流柱放大较多倍数，若相应的 矩形通道也放大同样倍数，则模型将变褥非 常庞大，实现困难，因此只模拟中间的5 7 列扰流柱，模型的尺寸见表2 一l 。 表2 1 模型尺寸表 图2 - - 6 物理模型示意圈 模型号 l23456789 扰流柱捧间距( m m ) 4 05 06 04 05 06 04 05 06 0 扰流柱形状方形钻石形液滴形 通道高度( 蚰) 2 0 扰流柱直径( m m ) 1 5 扰流桂高度( m m ) 2 0 扰流柱捧列间距加蛐) 6 0 9 西北工业大学硕士学位论文第三章基本理论分析 3 1 引言 第三章基本理论分析 当质点对非惯性参考系运动时，三维n s 方程与在惯性系下的n s 方程 有所不同，动量方程有相应的附加项出现，增加牵连惯性力和哥氏力两个修正项， 本章就此进行了分析，并在此基础上建立相应的控制方程，并进行相似性分析。 3 2 旋转坐标系下的内冷通道流动与换热的数学描述 3 2 1 旋转坐标系中的相对速度与相对加速度 如图3 一l 所示，0 为静止坐标系原点，0 为 旋转坐标系原点，旋转坐标系以旋转角速度绕通 过坐标原点的轴旋转。m 为旋转坐标系中任意质 点，根据矢量合成原理，绝对速度矿和相对速度i ， 之间的关系为： ”2 7 ，+ 。 ( 3 1 ) 图3 - - 1 绝对速度与相对速度 矢量示意图 其中吃为牵连速度，且t = v 0 + 西r ，这里v 0 是旋 转坐标系相对予静止坐标系的平动速度，面为定轴旋转角速度。 另外，绝对加速度a 与相对加速度反的关系为： d = 口，+ 口- + 口c ( 3 - - 2 ) 其中，玩和觅分别为牵连加速度和哥氏加速度，它们的表达是分别为： 占。：拿+ 掣r + 西面， ( 3 3 ) 出田 1 0 西北工业大学硕士学位论文 第三章基本理论分析 a 。= 2 面x t ( 3 一- 4 ) 此时，西西x ，为离心加速度。则绝对速度五为： 口= 磷+ 鲁+ 警猁x r + 2 面t ( 3 - 5 ) 若旋转坐标系相对于静止坐标系没有平动，同时匀速旋转，则绝对速度的关 系式可以简化为： a = 瓦+ 面面x ，+ 2 面x v r ( 3 - - 6 ) 3 2 2 旋转坐标系下的基本方程 由于旋转不会引起流体总质量的变化，也不会引起所研究对象总能量的变化， 所以静止坐标系下的连续方程与能量方程仍是适用的，即 v v = 0 ( 3 7 ) p c 。( v v r ) = ( 丑+ 丑) v 2 t ( 3 - - 8 ) 根据动爨定理，微元体中流体动量的变化率等于作用在该微元体上的质景力 和表面力之和，设p 面应力张盘，贝# 流体相对运动的动薏微分方程为： 1 d g r o ) = d i v p 一厕x 面xr - 2 p ( a 3 哥) ( 3 - - 9 ) 利用s t o k e s 假设，应力张量p 与变形速率张爨s 之间的关系可以写成下列形式 p=一+2芦s(3-10) 其中i 为单位矩阵，则 p ( v v ) v = v 耵+ ( 卢+ 4 ) v 2v p ( 2 x v + o ) xv r ) ( 3 1 1 ) 3 3 相似理论分析 3 3 1 无量纲分析 从基本方程中可以看出，影响高速旋转的有热壁的内冷通道的状态量很多， 而在具体研究中不可能把所有的影响因素都考虑周全，这就需要将较众多的控铟 1 1 嚣托l 二韭大学硕士学圣： ：论文 蘩一三章：羹本理论分析 一i i 目| e 自| 目_ e $ 口j e g 目z e $ i # # 蕾t # # 自燃 交爨无羹缨德隽足令乏羹纲准瓣数，遮鹭无蠹缨踵赠数藏旗了澎稳滚凌帮列濂羧 热熬各糖因素，滚动帮莲漉换热鞫戆敬已知塞和来翔鲎瓣关系可以透过乏述的秃 爨纲综合数闻豹联系表现出来。下秘由商会汉无量纲分橱法对此闻题避行分析。 液3 一l 为所涉及的主要控制变量，镪辐了系统的几何特性、流体的流动特性、 热物理性质及传热系数等，其涉及到点个基本量的量纲分别为长度的量纲i 。、删 阆的量纲t 、质量的量纲m 、温度的缀纲t 和热繁的萤纲q 。 袭3 1 变擞表 变量有效长度密度 黻- 牲系数热容 导热系数 躲麓 符号 lp c p 五 匈 !繁缨 【翻 m l 。刁 m l 掣】 q m - ”r j q l - t f 】 m t t 2 】 变鬟蕊彩簇系鼗滠痉茇藤转热速瘦 遗日速率 簧热系数 符号 穆f 搬越是 i量纲 【t 。】 【t i 1i l l l 】 q l 。r l t 0 由石定理可知，待求的无量纲数晌个数为1 i 一5 = 6 。选取l 、丑、和 琊作为基本变量后，可以组成万参数为； 汀l = p “。l 戈、8 d 、甜j p t 3 1 2 ) 万2 = r 。6 ：刀3 “c ， ( = 卜”。1 3 ) 艿3 = r k z 、声“掰如瓣 3 一1 4 ) 芽4 = 4 4 冀。4 掰q 盎f ( 3 一1 5 ) 嚣l = 驴抖“。咎或h ( 3 一“1 6 ) 魂= l o “驴如“卸 ( 3 1 7 ) 以量纲的形式写出羁 万1 = 0 ”“一3 1 m 地+ l v “1 1 7 1 。”q 1 ( 3 一”1 8 ) 使该式两边基本量纲的指数相等，则搿成 l ： 珂l 一6 l e l 一3 * 0 m ： b + 1 = 0 t ： 一b l c l 一。i 。0 j 2 疆0 ： 鼗大学磺士学谴论文 第三章蓥率遴论分褥 j 目嘣i , ii 自日e r ： 一c 、一d = 0 q ： c 。= 0 麓上述方程缀可褥 这样羁就变为 囿理，可躐得 群l = 2 ，b l = 一1 ，c l = 0 ，d l = 0 ，e l = 1 矾：l 2 m p ：r e 。 “ 岸，：生：p f “ 死。t 7 r d = p a t h l 群。= 一 改 觏：竺 , u c o ( 3 1 9 ) ( 3 2 0 ) ( 3 2 1 ) ( 3 - - 2 2 ) ( 3 2 3 ) ( 3 2 4 ) 雳? 嘎：( l 2 a p ) z f l a t ：丛挲堡胆：掣p a t ：哦( 卜2 5 ) 尉肛 ”万；= _ l 2 c _ o p 警- 卷) 2 = 警一( 等) 2 = 鼬m 2 ( 3 - - 2 6 ) 盈：2 。垒。与；# ：e 。 曩t 弘p 囊 。l e p “ 上式中，出现的无量纲准则数肖六个，分别是：霭诺数r e 、旋转雷诺数r e ，、普 朗特数p r 、旋转格拉晓夫数( 弧、旋转艇力系数c 。和努塞尔数n u 。对流场问题， 这些交蘩瑶潋骂藏班下关系式： c 。= f ( r e 。r e ，g 气，p 玲 对换热问蹶，这些变量可以弼成以下关系式： ( 3 2 8 ) 西北工娥大学硕士学位论文 第三章熬本理论分析 n u = f ( r e ，r e ，g r ，e r ) ( 3 - - 2 9 ) 由于冷趣气经由叶片内通道流过温度相对较商的扰流柱排，所以扰流拄排，b 麓参数( 逶遂表力壹经绣、滚惫羯距氲袋内润蕤s 撬流撞寒嶷甄撬滚拣妻 径d 、旋转半径r n 、扰流柱形状和排列方式) 也是流场和换热的影晌因素，对几 一r o ，羔，旦，旦和旦 何尺寸无囊缎化届分别绣。喀圾d 珑，则 = f 承e , r e ，瓯t 魏贵，瓦x ，瓦s ，簧，争( 3 - - 3 0 ) 胍= f o e , r e ，吼，耽蚤，妄，鲁，瓦h ，去， c s s ， 凌予燃气静善蘸特数在宽广瓣湛凄藏溷痰菠交较夸，茸略去；于是胃霄： 。，r e ，吼，瓦r o ，百x ，百s ，瓦h ，旦d h ) ( 3 - 3 2 ) 0 r e r e ，魄，瓦r o ，瓦x ，瓦s ，瓦h ，争 ( 3 3 3 ) 在旃入豹文献中经鬻用旋转数r n 来代替旋转鬻诺数r e ，二者的关系为： 粼 肋：堕：一t a d h r e“ = f ( r e , r o ，吼，瓦r o ，瓦x ，瓦s ，每瓦p - q - ) ( 3 3 4 ) ( 3 3 5 ) n u = f ( r e , r o , g r ，瓦r o ，妄，寄，瓦h ，争 c 。s s ， 上式中，雷诺数r e 、旋转数r o 、旋转格控魄爽数g r 分别代表了熬本流态的强 遥辩漉、旋转影响嚣离心浮舞力懿三方嚣熬爨漱。 旋转格挝浇夫数6 r 怒鬻烧嗣来摇述浮势力影响蠡每，褪对盼菏的研究串，文 献中常被浮力数b o 取代，浮力数b o 的定义为： b o ；卢瓴一t o ) r 0 2 e ) ( 3 - - 3 6 ) 地 西北工业大学硕士学位论文 第兰鬻基本理论分析 i ii i i i ii _ - - - _ - _ _ _ - - - _ _ _ # 雌 虽多 ，麓转疆拉瓷夫数茂、雷诺数r e 秘浮秀数蠡备关系楚： 勘：氅( 3 - - 3 7 ) r e 嚣魏，气可浚表示必； 。，洳，勘，瓦r o ，瓦x ，瓦s ，甍，妄) ( 3 - - 3 8 ) 藏理，对手静止挽流柱耨豹流蕊润嚣，可_ | ；盂嬲嚣力系数巳来表示，箕淡达 式为： c p = # 等( 3 - - 3 9 ) n u 数浚裘示秀： m 2 ，m ，勘，卺，麦，去，瓦h ，毒 c ，一4 。， 悫浚主努辑霹燕，必器模壅豹蔻嚣参鼗苓交，浆餐方毽交r e 、r o 窝b o 三 个准则数控制。故本文将滠过这三个潍则数分别来对旋转通道巾非豳形扰流校排 的换热和流动特性进行研究。 3 3 2 糨似分耩 相似第三定理指出：对予同类现象，凡单值性条件( 几何条件、物理条件、边 赛条释) 掇皴，霹名已定准羹l 稳等，辩瑗豢稳酝。辩豢撬滚柱撵豹冷却醭究聪畜， 我们保证横艚与原型近似相似。” ( 1 ) 几何相似：因本课题属预研性质，模型基于李军”1 的非嘲形扰流撞排换 热窥流动特性的试验模型来磷究旋转效斑，该试验模型见瑟2 - 6 。在本文孛淹保 证模墼豹强何籀叛，旋转拳径遵藏犬籀溺静倍数，模型的廷寸黧表2 一l 。横戮 采用矩形邋道，定型尺寸沿用水力直径的概念。 ( 2 ) 物理相似；本文的冷却气以理想气体模拟，定性温艘为气体的平均滋 度。 ( 3 ) 边界相似；采用定壁温来实现对流换热。 堕! ! 工业大学硕士学位论文 第三章基本理论分析 ( 4 ) 准则数相等：应保证进口雷诺数相等、旋转数相等和浮力数相等，则 旋转雷诺数( r c ，：r o r e ；m l 2 _ _ _ p p ) 也会相等。 则模型旋转角速度应为原型的1 1 0 0 。 1 6 已知模型尺寸为原型的十倍 西北工业大学硕士学位论文第四章旋转非嘲形扰流柱捧流场与换熟的数值模拟 第四章旋转非圆形扰流柱排流场与换热的数值模拟