矩形冷却孔－学报

1、 编号：062092矩形冷却孔附近流动的数值研究康顺 马丽 陈党慧（华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室， 北京 102206）摘要：为了深刻认识冷却孔附近的流动结构和旋涡生成的机理，本文数值研究了平板上不同矩形射流孔附近的局部流场。在给定横向流速和吹风比的条件下，对不同长宽比的矩形垂直射流孔附近区域三维定常流动的流场结构进行了研究。并分析了冷却孔 附近各种主要涡旋生成的机理。关键词：横流中的射流；冷却孔；旋涡；数值模拟中图分类号： 文献标识码：NUMERICAL STUDY OF FLOW STRUCTURE NEARBY RECTANGULAR COOLING HO

2、LESKANG Shun MA Li CHENG Dang-Hui(North China Electric Power University, Key Laboratory of CMCPPE, Ministry of Education, Beijing, 102206, China)Abstract: In order to have an insight into cognize profoundly the flow structure and the generation mechanism of the vortex generation nearby the cooling h

3、oles, this paper investigate the localized flow structure of rectangular jet holes the different rectangular jet holes perpendicular to on the a flat plate is numerically investigated. Under the conditions of given cross flow speed and, given blowing ratios, study of the 3D steady flow nearby the ho

4、le exit has been carried out for and three different aspect ratios (0.5, 1.0 and 2.0)of the hole exit. , Generation mechanisms of the various vorticesthe 3D steady flow and the generation mechanism of the leading vortex nearby a rectangular jet hole perpendicular to a flat plate is numerically analy

5、zed.investigated.Key words: jet in cross flow; cooling hole; vortex; numerical simulation1. 前言为了提高循环效率，现代燃机不断朝着高压比和高涡轮入口温度的方向发展，导致涡轮部件的热载荷和机械载荷不断增加，使得采用高效的冷却技术成为非常迫切的需求，以确保机器的使用寿命。在每个冷却孔的下游，冷却介质与高温主流混合，使得有效的冷却仅限于一个很小的区域内。为了扩大有效冷却的范围，设计高效的冷却孔几何，需要对冷却孔附近的流动结构和机理进行深入的研究。冷却孔附近的流动是一种典型的横向流中的射流流动。冷却孔出来的射流

6、与高温的横向主流（叶片流道内的热流体流动）相互作用，在冷却孔附近产生局部非常复杂的流动现象，并由一系列旋涡结构所表征。，主要旋涡有肾形涡、马蹄涡、尾迹涡和剪切涡系等。 收稿日期：2006-11-24；作者简介：康顺（1955-），男，陕西西安人，教授，博导，主要从事叶轮机械气体动力学，计算流体力学，实验流体力学，数值模拟可信度分析等的研究。这些各向异性和非定常的流动结构至今还没有通过实验得到完美的描述。文【1，2】采用数值计算的方法，揭示了在不同吹风比条件下，圆形冷却孔附近区域的流动结构，解释了肾型涡对产生的机理，在此基础上提出了一种设计冷却孔形状的方法。然而，工程实际应用的冷却孔出口大部分为

7、非圆形。另外，由于圆形射流孔流出的冷却流体在出口处曲折的几何形状，不易于深入分析和认识局部的流动结构和机理。因此，本文拟以矩形冷却孔为几何模型，采用数值计算的方法模拟，。在定常流动的假设下，对于给定射流入射角、吹风比、和不同长宽比的矩形截面冷却孔附近的流动进行数值模拟。在与有限的实验数据比较的基础上，分析和研究不同长宽比条件下，冷却孔附件区域的流动结构和机理。 Hole-1 Hole-2- . - Hole-3 实验2. 研究模型和数值方法图1 计算模型和计算域研究模型：选取文【3】采用的平板上剪切流动和矩形截面冷却孔模型。几何模型和计算域如图1所示。其中Hole 1，Hole 2，Hole

8、3分别是长宽比为0.5，1.0，2.0时的矩形射流孔，并保持主流方向的宽度不变。吹风比（平板边界层外的流动速度与冷却孔入口速度之比）为0.5。冷却孔与平板的夹角为90o。计算方法：采用NUMECA的FINE/TURBO软件。该软件采用时间相关法求解雷诺平均NS方程。本文选用二阶精度的中心离散格式，Spalart-Allmaras的一方程湍流模型。计算残差收敛到6或5的量阶。计算网格：射流孔内和平板上面的网格均为H型结构网格。网格总数约为84万。在固体壁面附件和射流孔周围区域，网格适当加密。边界条件：主流沿X轴方向。远前方来流的湍流边界层厚度设为1.5倍射流孔在流向的宽度（D）。射流孔入口给定静

9、温和均匀速度，静温和远场边界的值相同，吹风比为0.5。3 数值结果确认图2 对称面上X/D=1.0、3.0和5.0处的Vx值与实验数据的对比 Hole-1 Hole-2- . - Hole-3 实验 Hole-1 Hole-2- . - Hole-3 实验图2 对称面上X/D=1.0、3.0和5.0处的Vx值与实验数据的对比图2 给出了不同长宽比的三个模型对称面上，在Xx/D1.0，3.0，5.0（分别位于冷却孔中心后方1D，3D和5D处，D为冷却孔在Xx方向的长度），Vx沿Zz方向的变化，并与实验数据进行了对比。该实验数据取自文献【3】，对应于第二种模型，即Hole 2（方形孔）。由图2所知

10、，在边界层内大部分区域内，计算结果与实验数据很好吻合。在近壁面附近的极小值区域与肾型涡的存在有关，随着长宽比的增加，该低速区和量值增加。另外，在远离壁面处，与实验数据不同的是，计算结果还显示了一个高速度的极值区，这与文【4】采用大涡模拟方法得到的时间平均结果相近。4 数值结果及分析冷却孔附近的流动主要由两种剪切流动所支配：孔内边界层流动和平板上横向主流的边界层流动。前者如图3的定性表示，所产生的涡层分别由±wx和±wy表示。当冷却图3 冷却孔内的剪切流动的定义描述a) Hole-1b) Hole-2c) Hole-3S1S2图6 壁面极限流线图谱a）孔外涡旋b）孔外的旋涡图

11、4 冷却孔外各种旋涡的定义描述c）孔外前方的马蹄涡孔气流离开冷却孔时，会产生环绕冷却气流的涡环，如图4a所示。实际上，这个涡环将不断脱落，是非定常的，而本文假设流动为定常。如果把这个涡环考虑为沿各自边沿缘所形成的孤立旋涡，则在横向主流的驱使下，射流孔前缘和后缘边的涡线将向横向主流方向弯曲，并顺着横向主流发展下去，因此在图4b上分别以±wx表示。而在两个侧边所形成的旋涡当然也要沿着主流方向向下发展。此外，如所示4c所示，由于横向主流的边界层流动以及射流对其的阻碍作用，在射流孔前方将产生马蹄涡，且与图4b所示的冷却孔出口前缘处的旋涡旋向相反。Hole-1Hole-2Hole-3图5 冷却

12、孔出口区域的旋涡结构图5给出了冷却孔出口附近区域计算出的三维流动结构。其中四种不同颜色的流线束分别经由出口处的四个边附近流出。正如前面的定性分析所预示的，对于所研究的三种长宽比矩形孔，在其前缘附近的流线束均与马蹄涡缠绕在一起，使马蹄涡的强度和尺度增强(c重新考虑！)。两个侧边附近的流线束卷成两个旋向相反的集中旋涡，并顺着主流伸向下游，其涡核沿流向逐渐增大。该旋涡对是肾型涡对的早期发展。在其前缘附近的流线束均与马蹄涡缠绕在一起。由于马蹄涡的强度和尺度远大于射流孔出口的涡旋，特别是在hole2和3条件下，只明显地观察到马蹄涡的发展。另外，由于主流的推动作用，冷却孔出口后缘附近的流线束，在出口附近并

13、没有形成旋涡运动，而是绕过一个低速区（涡丘）伸向下游。X/D=1图7 横截面图谱（Hole-2）X/D=2X/D=3X/D=5肾型涡对马蹄涡图6是三种冷却孔附近区域的壁面极限流线图谱。可清楚地看到冷却孔前方的马蹄涡分离线和冷却孔下游的两个螺旋结点。冷却孔周围的流动分离区域的尺度可由其前后的两个分离鞍点S1和S2表述。对于Hole-1、2和3，S1的x轴坐标分别为-0.48、-0.85和-1.25，S2的坐标分别为0.67、0.83和1.47。可见，增大冷却孔的长宽比，将使马蹄涡前移，并导致涡核变强和变大；使冷却孔下游的分离区增大。对于该分离区内的两个螺旋结点，冷却气流将在此形成一对“涡丘”。随

14、着长宽比增加，鞍点S2向下游移动，同时“涡丘”的尺度增加。图8 肾型涡核心位置的变化图9 马蹄涡心位置的变化为了观察肾型涡对的发展，图7给出了Hole 2四个不同流向位置横截面上的Vx等值线图和流线图谱。由图可见，在肾型涡对的核心位置区，速度取极小值。在冷却孔不远的下游区域，肾型涡对的尺度沿流向增加，并逐渐远离壁面。图8给出了肾型涡核中心点的坐标随流向（x轴）的变化。（注：涡核中心定义为横截面流线的结点）。由图可见，对于Yy向（侧向）位置，考虑到冷却孔侧边的Yy坐标，对于Hole 1，2和3分别为Yy/D=0.25，0.5和1.5，因此肾型涡心的Yy坐标应随着冷却孔长宽比的增大而增大。但对于H

15、ole 2，由于“涡丘”的存在，在Xx/D=1的位置并不符合此规律。在冷却孔的远下游，三个长宽比冷却孔肾型涡的侧向位置区域接近。对于Zz向（垂直于壁面方向）位置，在冷却孔下游不远处（Xx/D1）,肾型涡的Zz向位置几乎不受冷却孔长宽比变化的影响。在其下游，三种长宽比的肾型涡均不断远离壁面。Hole 1的高度位置近似于线性增加。Hole 2与Hole 1的高度位置非常相近。而Hole 2和3的高度位置沿流向的非线性变化可能与马蹄涡高度位置的非线性有关，如图9所示。由于马蹄涡与肾型涡的旋向相反，在马蹄涡较远离壁面的区域，肾型涡就较接近壁面。另外，由于Hole 1的马蹄涡很弱，图9只给出Hole 2

16、和3马蹄涡涡心的坐标位置随流向的变化。5. 结论本文采用数值模拟的方法研究了在给定横向流速和吹风比的条件下，不同长宽比的矩形垂直射流孔附近区域的流场。在与有限实验数据很好吻合的条件下，分析了三维定常流动的流场结构。主要结论如下：（1）冷却孔附近的流动结构主要由两种剪切流动所支配：孔内边界层流动和平板上横向主流的边界层流动，以及由此所产生的旋涡系。（2）在给定横向流速和吹风比的条件下，冷却孔长宽比的增加使马蹄涡和肾型涡的尺度和强度增大，并使肾型涡远离壁面。参考文献1 康顺.冷却孔附近三维流动的结构.中国工程热物理学会第十一届年会论文集,2005,已被工程热物理学报录取2 Kang Shun（康顺）, 2006, Numerical Investigation of the 3D Flow Structures nearby Cooling Holes, AJCPP200622084, Beijing.3 Ajersch, P., Zhou, J.M., Ketler, S., Salcudean, M. and Gartshore, I. A. (1995), Multiple jets in a crossflow: detailed measurements and numerical simulations, ASME 95-GT-9.4 Tyagi, M.