平板传热对气膜冷却的影响.pdf

机械研究与应用 应 用 与i式验 平板传热对气膜冷却 的影 响 邓丽 赵 志军 上海理工大学 能源与动力工程学院 上 海2 0 0 0 9 3 摘要 对 不同平板 厚度 的 圆柱孔平板气膜冷却模型进行 了数值研 究 其 中冷却 空气入射 角均 为 3 5 湍流模 型采 用 S t a n d a r d k 8湍流模型 所研究的模型分为单孔模型和排孔模型 板的厚度分为4 m m 2 ra m及 0 m m 文章的 重 点在 于分析平板 的传热对气膜冷却效果的影响 研 究结果 显示气膜冷却 效率 沿主 流方向逐渐 降低 当吹风 比为 0 8时冷却效 率最高 平板 内部导热对气膜冷却效率及平面温度分布有较大影响 关键 词 气膜 冷却 数值模拟 吹风 比 平板厚度 传热 中图分类号 T H1 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 6 4 4 1 4 2 0 1 1 0 3 0 0 8 7 0 4 He at t r an s f e r influe nce o f t he pl a t e o n m m co o l in g e ffi cie ncy De n g L i Z h a o Z h i j u n S ch o o l o fe ner g y p o w e r e n g i n e e r in g u n i v e r s i t y ofS h a n g h a if o r s ci e n ce a n d t e ch n o l o g y S han g hai C h i n a Ab s t r a ct Nu me r ica l r e o x e h h a s b e e n ca r r ie d o u t o n fi l m co o l in g e ffi cie n cy o f t h e p l a t e w it h in clin e d cy li n d e r h o l e Du r in g t h e n u me r ica l r G e are h s t a n d a r d k e t u r b u l e n ce mo d e l wa s e mp l e d a n d t h e in cid e n ce an g l e o f t h e co o l in g a ir is 3 5 T h e p h y s ica l mod e l s in cl ud e s o l e h o l e a n d l O W h o l e s mo de l s a nd t h e t h ickn e s s o f t h e pl a t e is 4mm 2mm a n d 0ram He a t t r a ns f e r in flu e n ce o f t h e p l a t e O il fi l m coo lin g e ffi cie n cy is ma in l y a n a l y z e d T il e r e s u l t s s h o w t h a t t h e fi l m cooh n g e f fi cie n cy is r e d u ce d a l o n g t h e ma i n s t r e a m d ir e ct i o n and the b e s t fi l m co o l i n g e ff i ci e n cy co me s u p wh e n t h e b l o wi n g r a t io is a b o u t 0 8 a n d t h e fi lm co o l ing e ffi cie ncy is infl ue n ce d b y h e a t co nd u ct io n o f t he p l a t e o b v io us l y Ke y wo r d s fi l m co o li n g n um e r ica l s t u d y b l o w in g r a t io t h e t h ick n e s s of t h e p l a t e h e a t t r a n s f e r l 引 言 气膜冷却是一种应用广泛的冷却技术 它通过在 高温部件表面开设小孔 将冷却介质以横 向射流形式 注入主流中 在主流的压迫作用下 射流弯 曲并覆盖 于高温部件表面 形成一个低 温气膜 从 而对高温部 件起到隔热和冷却作用 对气膜冷却效率 的研究 主要有实验和数值模拟两种方法 基于计算流体力学 后者发展较快 与实验方法相比该方法可获得更详细 的信息 并作为实验的补充 现有的数值模拟研 究多是关于不 同的孔形状 孔分布及吹风比等对气膜 冷却的影响 文献 3 用数值研究法比较了在 3 5 人 射角情况下不 同孔形平 板气膜冷却情况 文献 4 使用压力敏感漆 P S P 技术对不 同孔形状 的平板气 膜冷却进行 了实验研究 结果 表明圆孔在高 吹风 比 时 冷却气流易吹离表面 冷却效果较差 文献 5 采用 r e a l iz a b l e后 一 占模 型 分析 了各种 孔排结构在不 同吹风 比下对气膜冷却 效率 的影 响 文献 6 对孔 间距分别为 p d 2及 p d 4两种几 何参数下的圆 柱形气膜孔 在不 同动量比下的射流流动情况和冷却 效果进行 了数值模拟 得出孔间距越大 气膜覆盖程 度越差 在湍流度和密度 比不变的情况下 孔间距越 大 冷却效率越低的结论 文献 7 应用 S t a n d a r d k 一 湍流模型模拟了不 同吹风 比下的平板气膜冷却情 况 得出吹风比在 0 3 5 0 4 5之间时射流孑 L 中心轴 线上的冷却效率最高 而吹风比在 0 5 5 0 6 5之 间 时射流孔下游区域的横向平均效率较高 文献 8 采用 F N M f u l l n o n 2 ma t ch e d 形式 的蝶形结构化 网 格研究了不同吹风 比条件下的流场情况 计算结果表 明随着吹风 比的不断增 大 由于卷 吸作 用 的增 强 射流大部分脱离壁面与主流进行掺混使得气膜冷却 效率不断降低 目前研究平板传热对气膜冷却效果 影响的文章不多 现阶段关于气膜冷却的研究绝大 部分集中在采用实验或提取数值的手段来对绝热壁 面的情况研究 但在实际情况中叶片是有厚度的 所 以研究具有一定厚度平 板的导热对气膜冷却效果 的 影响是有必要的 笔者采用数值模 拟的方法对具有 一 定厚度的圆柱孔平板的气膜冷却情况进行研究 2 数值计算模型与方法 2 1 数值计算模型 单孑 L 平板几何模型平 面图如 图 1 a 所示 排孔 平板 俯视 图如 图 1 b 所示 利 用 网格 生 成软 件 g a m b i t 2 3 1 6对计算模型进行网格划分 由于射流管 项 目 上海市教委重点学科建设项 目资助 J 5 0 5 0 1 收稿 日期 2 0 1 l o 4 一 o 6 作者简 介 邓丽 1 9 8 4 一 女 黑龙江哈尔滨人 硕士 研究方 向 燃气轮机的气膜冷却技 术 8 7 应用 与 试验 机械研究与应 用 道与主流通道的几何尺寸相差较大 为保证网格质量 及计算精度 计算域采用混合 网格 其中主流部分采 用六面体和楔形网格 固体平板部分和射流通道部分 采用 四面体 网格 斜圆柱孔与主流腔体之间采用非一 致网格处理 在平板壁面附近采用加细 的边界层网 格 模型网格划分图如图 2所示 模型分为流体和 固体两部分 流体介质为空气 固体材料为不锈钢 本 文数值模拟 中同时考虑平板与气体 的对流换热和平 板内部 的导热特性 冷却气体进 口 a 单孔横型平面图 一一 一 一 上 一 一 十 I 1 5 0 b 多孔平板俯视图 图 1 物理模 型图 单位 mm 图 2 计算模型网格划分 图 2 2 数值计算方法 计算采用有限体积法 分离隐式求解稳态 N a v ie r S t o k e s 方程 湍流模拟采用应用最为广泛 适应性较 强的 S t a r d a 耐 k 6湍流模型 该模型是针对湍流发展 非常充分的流动建立的 控制方程的张量表示形式如 下 所示 连续方程 0 1 R e y n o l d s 方程 一 器 毒 誊ax p s 8 x i 融 8 x J 2 能量守恒方程 h aT 3 x a x C a x p 城 3 k方程 垫 毒 鸶 G 一 c 4 8方程 8 8 未 蠢 C 18 詈 G c 譬 5 式 中 P为流体密度 u i为速度矢量在 方 向的分 量 i 为指标取值范围是 1 2 3 P为压力 为动 力粘性系数 S u 为动量守恒方程的广义源项 T为温 度 为流体的传热系数 为 比热容 S 为粘性耗 散项 为流体 的内热源及 由于粘性作用流体机械能转 换为热能的部分 G 为由于平均速度梯度 引起 的湍 动能产生 G k a u a x j a u a x i a u 鸭 C I C C 3 为经验常数 F l u e n t 中默认 为 C 1 4 4 C 1 9 2 C 0 0 9 为湍动能 F l u e n t 中默认值为 1 0 O r 为湍动耗散率对应的普朗特数 F l u e n t 中 默认值为 1 3 其中Pu u i 为 R e y n o l d s 应力 P u T 温度 T的 脉动附加项 上 标 一 代表对 时间 的平 均值 上标 代表脉动值 对 R e y n o l d s 应力 的求解 是通过引 人湍流模型来实现的 固体平板部分传热方程 g 一A d t 6 q h A t 7 式中 q为热流量 t 为温度 A为热导率 导热系数 h 为表面传热系数 由于实验中风洞为低速风洞 速度小于 5 0 m s 主气流与射流气体速度较低 气体马赫数低于 0 3 冷却气流与主气流都可视为不可压缩气体 气体各 物性条件采用温度的拟合公式 主流与冷却射流人 口边界条件均为速度人 口边界条件 出 口为压力出口 边界条件 与主流和射流气体接触的固体平板表面设 置为 C o u p l e 壁面 其余 面设置为无滑移 的绝热壁 面 边界条件 射流孔 口与主流通道的连接处采用交叉面 的连接方式 采用 F l u e n t 6 3的压力基求解器进行三维稳态计 算 压力速度耦合基于 S i m p l e算法 各物理量 的离散 采用二阶迎风格式 解的收敛条件判断准则为能量残 差小于 l 0 其余残差小于 1 O 3 模拟 结果及分析 定 义吹风 比 P 8 其中 p 和 分别代表射流与主流工质 的密度和速度 定义气膜冷却效率为 叼 9 叼 二 了 机械研究与应用 式中 为冷却壁面附近气体的温度 测量点为穿过 射流孔 的沿流 向的 中心线 T 为 主流入 口温度 T 为射流人 口温度 当冷却平板为绝热壁面时 式 9 可 以写成如下 形 式 一 1 0 式 中 为冷却壁面上的绝热壁温 测 量点为冷却 平面上穿过射流孔的沿流向的中心线 反映了气膜冷却保护的有效性 其值 的大小和 分布是衡量气膜冷却方案优劣的重要尺度 3 1模拟结果与实验值对比 利用上述数值计算方法对文献 9 中模型进行 数值模拟 并与实验值对 比如图 3所示 O 0 7 o 图 3 M 0 2 5时 模拟值与实验值 对 比图 图 3是在无滑移绝热壁面条件下吹风 比 M 0 2 5时模拟值 与实验值 的对 比情况 由图可知 数值 模拟结果 与实验值 的 曲线走势基本相 同 当 x d 2 时模拟值大于实验值 最大误差 7 当 2 x d 6时 模拟值 大于实验值 但最大 差别在 3 0 以内 两者产 生差 别的主要原因是实验所采用的冷却壁面不绝热 实验 所测温度受入射流体 和主流体与壁面之间对流换 热 及壁面内部导热的影响 而模拟中平板壁面条件设为 绝热壁面 总而言之与实验数据相比笔者所采用的数 值模型是合理 的 3 2 单孔模型不 同吹风比下的冷却情况 比较 对平板厚度为 4 mm 的单孔模型进行 数值模 拟 模拟工况条件表如表 1 所示 得出结果如下 图4 a 中看出 吹风 比 0 8时的沿程温度曲 线位于图中最下方 说 明此时对平板壁面的冷却效果 最好 使壁面温度最低 其中 M O 6时 在 x d 1 0的孔下游区域 平板表面温度逐渐升高 冷却效果 不如 M 0 8和 1的情况 M 0 4和 2两条曲 线位于图的上方 冷却效果都不好 图 4 b 表现了平板宽度方向上平均温度的沿程 分布效果 从一定程度上反映了气膜在宽度上 的影响 应用与i 式验 效果 与图4 a 比较可 以看出 各条温度曲线平缓 很多 温度范围也相应减小 但 曲线间的关系不变 仍 可 以看出 肘 0 8时的冷却效果最好 表 1 单 孔模 型 工 况 条 件表 4 7 0 4 68 4 68 剖 4 64 媚 4 6 2 4 6 0 4 58 47 2 47 0 46 8 46 0 45 8 b 0 5 1 0 1 5 2 0 l d c 图 4 平板厚度为 4 mm时 的单 孔模型 平板表 面气膜 冷却情 况图 从图4 c 中可以看出冷却效率随着 x d的增大 逐渐降低 在 x d 1 0时 M 0 4的冷却效率降低 最快 0 6 0 8和 1的效率 曲线数值略有减小 而 2的效率 曲线基本保持水平 从图4可以看出 吹风 比并不是越大越好 吹风 比最大时冷却效果反而最差 这是由于随着吹风比的 增大 射流的初始动量增加 以至于射 流与主流更容 易掺混在一起 与冷却壁面分离 没有使冷却壁面得 到很好 的保护 而 吹风 比太小 如 M 0 4时 射流 冷却气体量不足 冷却气体带走壁 面的热量有限 在 远离射流孑 L 的区域导致冷却效率下降较大 所 以在 几个不同的工况模拟中 吹风 比为 0 8时对壁面的冷 却效果最好 3 3排孔模型不同吹风比下的冷却情况 比较 对平板厚度为 4 m m 的排孔模型进行数值模 拟 模拟工况条件表如表 2所示 得出结果如下 图 5中 a b 都为温度分布 曲线 c 为效率 分布曲线 从 图中可 以看 出在 x d 89 应 用与 i式验 机械研究与应用 1 O的孔下游区域 M 0 8的时候冷却效果更好 平 板表面温度更低 效率更大 表2 排孔模型工况条件表 M r n 8 K m s K 0 4 4 0 6 6 O 8 1 6 4 3 4 7 3 8 2 8 8 1 l O 1 5 l 5 0 S 1 0 1 5 2 0 x d c 图 5 平板厚度为 4 mm时 的排孑 L 模型 平板表 面气膜冷却情况 图 与单孔模型的温度分布曲线相 比 排孔模型的两 幅温度 曲线图的差异性更小 这是因为排孑 L 模型的冷 却气膜覆盖范围相比单孑 L 模型更宽 平板宽度方向的 导热影响大大减小 同时也使排孔模型沿流向方向的 气膜冷却效率提高 了6 一1 0 3 4 冷却平板表面和模型对称面的温度分布 从图 6 a 中可以看出吹风 比为 0 6时平板表面 受气膜冷却影响面积最大 但 M 0 8时的平板表面 温度最低 冷却效果最好 从图 6 b 中可以看出 O 4时离射流孔较远的下游区域 没有受到冷却气 体影响 随着冷却气体量增大吹风 比增加 冷却气膜 的影响效果越来越大 在 M O 8时气膜在射流孔下 游区域仍然保持着相对的低温 吹风比越大 这种效 果越明显 但当 肼 1时 冷却气膜逐渐脱离壁面 使 得壁面下游无法得到很好的保护 3 5平板厚度为 4 r mn和 2 mm 时的冷却情况对比 为进一步研究不 同厚度平板导热对冷却效率的 影响 笔者分别模拟了平板厚度为 4 m m和 2 ra m时的 气膜冷却情况 改单孔模 型的平板厚度为 2 mm 其 余条件与平板厚度为 4 mm的单孔模型相同 计算得出两个平板厚度模 型的冷却效果对 比图 如图 7所示 从图 7 a 中可以看出相同吹风比的两条温度曲线走 势大致相同 但平板厚度为 2 m m的模型在相 同工况 9 0 i薹 薹 i量 l 量 薹 差 i薹 l 董 垂 l 2 i量 i薹 茎 l 善 M 1 5 a 冷却平板 表面温度分布图 M 1 5 b 对称平面温度分布图 图6 排孔模型平面温度分布图 条件下的冷却效果要好于乎板厚度 为 4 m m 的模型 这是因为平板厚度越小 不锈钢板内部导热的影响越 小 模型越接近理想的绝热壁面模型 因此冷却平板 表面温度更低 冷却效果更好 xl d a 不同吹风比不同平板厚度时平扳表面温度比较 0 5 I O 1 5 2 O l d b 吹风比I r 1 时不同平板厚 度模型沿程效率 比较 图 7 不同平板厚度模 型温度和效率对 比图 从图 7 b 中可以看出考虑平板厚度传热的模型 下转第 9 2页 兰 兰 兰 兰 l I 兰 兰 一 兰 兰 三 兰 兰 基 兰 兰 兰 兰 ll j童 基 一l l 兰 兰 兰 兰 曼 ll I i 1 1 醛 一疆 E 聪 鹱 鹾 一 疆 醛 一鹱 醛鲑 鋈 O 9 8 7 6 S 4 3 2 O 1 O O O O O O O O O 辩凝 应用 与 试验 机械研究与应用 曲度均达不到要求 后 改为将工件加热到温后 先 中 温盐炉预冷后在 2 6 0 C硝盐炉 中等 温 3小时 的等温 淬火 孔径及孔距能达到要求 但翘 曲度 0 0 3 m m 达不到 图纸的要求 最后采取如下工艺 工件加热后先在 8 2 0 o C的中 温盐炉 中预冷 2分钟 然后将工件放置到已经预热到 3 5 0 4 o o 的两块钢板之间 在压力机上加压并冷至 室温 经测量 不但保证了工件的孔径及孔距 而且翘 曲度也到要求 需要特别 注意 的是 高温加热时 温 度一定要控制 在 1 0 2 5 5 因为根据 以往 的经验 1 0 0 0 淬火时 变形量如下 A D 1 0 1 m 6 0 1x m 1 0 5 0 淬火时 A D 一 1 0 1 m A L 3 0 t x m 这种体积随 淬火温度变化而变化 的原因 是 由于残余奥氏体量发 生变化而引起的 正确选择淬火温度 残余奥 氏体可 以部分甚至全部低消淬火 时马氏体转变所产生的尺 寸增大 使变形量最小甚至无变形 在 1 0 2 5 5 o C加 热时 合金碳化物 C r F e 7 C 3在奥 氏体中的溶解量 和奥氏体中的 C和 cr的浓度均能使 C r l 2 Mo V钢获 得较好 的强 塑性的配合 不但综合机械性能较好 而 且在以后的回火过程中 可以靠改变回火温度来控制 模具的尺寸 如果加热温度过高 奥氏体中的合金元 素含量增加使得 胁 点下降 从而导致残余奥 氏体的 增加 使得工件的硬度急剧下降 所 以正确选择淬火 温度 准确控制淬火温度使非常必要的 回火温度的 确定也要根据淬火后残余奥氏体的量来决定 用来控 制和调整模具的尺寸 经测量后 如孔径增大 可采用 3 4 0 4 3 0 o C的加压 回火 如孔径 缩小 可采用 4 2 0 5 2 0 C回火 以增大尺寸 需要注意的是 必须 回火两 次 可根据每次回火后的实际尺寸 确定下一次的回 火温度 以便将模具的变形量控制到最小 2结论 通过改进锻造工艺 改变锻造后 的热处理退火工 艺以及改变最终热处理工艺等方法 使模具的孔距 孔径 平面翘曲度 硬度达到图纸的要求 在用户的使 用过程中 没有发现变形 开裂等现象 模具的使用寿 命有了很大的提高 参 考文献 1 王笑天 金属材料学 M 北京 机械工业出版社 1 9 8 7 2 张志文 锻造工艺学 M 北京 机械工业出版社 1 9 8 3 上接第 9 0页 平板厚度为 2 mm和 4 m m时的情况 的冷却效率要 远远低 于绝热壁 面模 型 平 板厚度 为 0 m m 时的情 况 的冷却效率 这是因为平板与气流发生对流换热 及平板内部导热的结果 4结论 通过建立圆柱孔平板气膜冷却的数值模型 主要 从单孔和排孔模型 4 m m和2 m m平板厚度模型两方 面研究了不同吹风比时的平板冷却情况 得出了各个 模型在不同吹风比时的温度 效率曲线及冷却平面和 模型对称平面上温度 的分布图 经过对 比分析得出 结论如下 1 在本文 的研究 中 无论 哪种模型 总体来看 都是吹风 比为 0 8时的冷却效果最好 沿流向方向上 的总体冷却效率最高 2 从单孔模型和排孔模 型冷却效率 的比较来 看 平板导热对气膜冷却效率有较大影响 3 考虑平板传热影 响后 数值模拟的冷却效率 值较之绝热壁面情况大大降低 4 数值计算值和实验测量结果存在一定的差 别 一方面是因为实验条件与数值计算条件并不完全 相同 且测量结果存在误差 另一方面是 由于湍流模 92 型的限制和壁面函数的缺陷 参考文献 1 葛绍岩 徐靖中 气膜冷却 M J 北京 科学出版社 1 9 8 5 2 杨宽 赵志军 戴韧 等 基于红外热像技术的气膜冷却方 法与应用 J 燃气轮机技术 2 0 1 0 2 3 4 8 1 2 3 S B a h e r i S P A l a v i T a b r i z i B A J u b r a n F i l m co o l i n g e ff e ct i v e n e s f r o m t r e n ch e d s h a p e