脉动冷却流对孔出口附近流动结构影响的探讨－工程热物理学报

1、编号：072108脉动冷却流对冷却孔出口附近流动结构的影响的探讨康顺 马丽（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：为了探索新型高效能的气膜冷却技术，本文提出了一种脉冲射流冷却方法，并以平板上垂直方形冷却孔为几何模型，以正弦曲线分布的射流速度为冷却气流模型，采用非定常CFD数值模拟技术，在给定横向流速和非定常射流速度的条件下，对孔附近局部三维流场的非定常特性和流场结构进行了数值模拟研究。关键词：非定常；脉动；横流中射流；冷却孔；数值模拟中图分类号：TK474文献标识码：ADISCUSSION ON INFLUENCE OF PULSE-COOLING F

2、LOW ON THE FLOW STRUCTURE NEARBY COOLING HOLESKANG Shun MA Li(NorthChinaElectricPowerUniversity, Key Laboratory of CMCPPE, Ministry of Education, Beijing, 102206, China)Abstract: In order to explore a new high-efficiency efficientfilm-cooling technology, this paper presents a pulsed jet cooling meth

3、od. Adopting the a vertical square shape cooling holewith square shape in a flat plate as the geometry model, and taking distribution of thethe sinusoidal curvedistribution as cooling airflow velocity model,under given cross flow speed and unsteady jet flow speed, the 3D unsteady flow characteristic

4、s as well as the flow structure nearby the hole exit has havebeen investigated by using the unsteady CFD numerical simulation techniques,under given cross flow speed and jet flow speeds.Keywords:unsteady; pulsed; jet in cross flow; cooling hole; numerical simulation1. 前言气膜冷却是当前高性能燃机和航空发动机热部件壁面冷却常用的一

5、种技术。气膜冷却效果由各个冷却孔附近区域的流动特性所决定。近年来本文作者以平板上单个冷却孔为模型，对圆形直孔、圆形弯曲孔、以及不同长宽比的矩形直孔等，采用CFD模拟方法进行了一些研究，基本清楚了在定常流动假设条件下冷却孔附近区域的流动机理和旋涡结构【1、2、3】。其中文【1，2】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弯曲冷却孔形状的设计方法，并进行了初步探讨。文【3】则以矩形冷却孔为几何模型，揭示了在定常流动假设下不同长宽比的矩形截面冷却孔附近的流动结构和机理。作为上述工作的延续，本文试图提出一种脉冲射流冷却方法，探讨高效能气膜冷

6、却的新途径。为此，本文将以平板上单个方形直孔为几何模型，以随时间按正弦曲线分布的射流速度为冷却气流模型，采用非定常的数值模拟方法，对该冷却孔附近区域的非定常流动特性进行研究。2. 研究模型和数值方法研究模型：选取文【3、4】采用的平板上剪切流动和方形截面冷却孔模型。几何模型和计算域如图1所示。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N-S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158万。在固体壁面附近和射流孔周

7、围区域，网格适当加密。收稿日期：2007-12-15；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。0TT/4T/23T/4图4 不同时刻横截面上流线图谱边界条件：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）。射流孔入口给定静温和脉动速度，静温和远场边界的值相同，射流速度随时间呈正弦曲线变化，即V=V01+sin(t)。时均速度Vo的值对应于吹风比为0.5的速度。周期T=2，计算的时间步长DtDt=0.157s。3 数值结果及分析对于该方形孔模型，文【3】曾对其在吹

8、风比为0.5 条件下的三维定常粘性流场进行了详细的研究，并采用实验测试的速度分布对CFD结果的可信性进行了确认。图2给出了定常条件下冷却孔出口附近区域三维流动结构。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，孔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。图2 定常条件下冷却孔出口区域的旋涡结构0TT/4T/23T/4图5 不同时刻横截面上Vx的云图图3 对应不同时刻的肾形涡核心位置的变化图1 计算模型和计算域本文在进行射流速度随时间呈正弦曲线变化的数值研究

9、时，其脉动速度的时均值对应于定常计算吹风比为0.5的速度。按照正弦曲线的变化规律，射流速度的变化意味着吹风比将在0和1之间周期性变化。由于射流速度随时间的变化，肾形涡对和马蹄涡的尺度和涡心位置也将随时间变化。图3出示肾形涡轴线与平板的距离在一个正弦曲线周期内8个时间点的变化，并与以及定常计算吹风比为0.5时的涡心位置进行比较。图中每条曲线代表了肾形涡核中心点的坐标沿流向（X轴）的变化（注：涡核中心定义为横截面流线的结点），不同的曲线代表了不同的时刻，其中实线表示前半周期而虚线表示后半周期对应时刻的涡心位置，点划线表示定常计算吹风比为0.5时的涡心位置。图4和图5分别给出了一个周期内4个时刻7个

10、横截面（X/D=1，3，5，7，9，11，13）流线图谱和Vx云图，由此可清楚地看到肾形涡对尺0TT/4T/23T/4图6 对称面上的流线图谱图7 对称面上Vx的云图0TT/4T/23T/4度随时间的变化。图中的0T时刻对应于正弦曲线的峰值，射流速度达到最大值（即吹风比为1），肾形涡对的尺度也达到最大，涡心离壁面也最远（图3）；在T/2时刻射流速度达到最小值（即吹风比为零），此时没有肾形涡对产生。由图3中的实线可见，随着射流速度从波峰变到波谷，涡心轴线逐渐趋向壁面。由图中的虚线可见，随着射流速度从波谷变到波峰，涡心轴线逐渐远离壁面，并且基本呈现出对称性，即：T/4和3T/4时刻对应的涡心位置基

11、本一样。由图3还可以看到，T/4和3T/4时刻（即吹风比为0.5）和定常计算吹风比为0.5时的涡心位置完全重合。此外，由这些图还可以看出，在任何时刻肾形涡对沿着流向逐渐远离壁面，但在较远的下游区域肾形涡对不再继续发展，而趋于平缓。这些也可由图6和7看出，这两个图给出了四个时刻对称面内流线图谱和Vx云图。由于马蹄涡相对于肾形涡对较弱，在冷却孔下游区域的横截面上有时观察不到马蹄涡，但在冷却孔前缘可以明显看到马蹄涡随射流速度的变化，如图6和7。从图中看出，马蹄涡的尺度随着射流速度的变化具有相同的变化趋势，在T/2时刻射流速度为零，马蹄涡不存在，并且在冷却孔内出现了分离旋涡。这时类似于空穴流动。4.

12、结论本文采用数值模拟的方法初步探讨了在给定横向流速和脉动射流速度的条件下，方形垂直射流孔附近区域三维非定常流动的流场结构。主要结论如下：(1) 随着射流速度的周期性变化，肾形涡对和马蹄涡的尺度和涡轴线位置也在周期性变化，且趋势相同。(2) 肾形涡对和马蹄涡是相互影响的，且射流速度的变化对肾形涡对和马蹄涡的发展的影响程度不同。(3) 关于脉动冷却射流对冷却效率的影响还需做进一步的数值分析和实验研究工作。参考文献1 康顺.冷却孔附近三维流动的结构.工程热物理学报.2006，27（5）：7547562 Kang Shun（康顺）, 2006, Numerical Investigation of t

13、he 3D Flow Structures nearby Cooling Holes, AJCPP200622084, Beijing.3 康顺，马丽，陈党慧.矩形冷却孔附近流动的数值研究.中国工程热物理学会第十二届年会论文集，2006，已被工程热物理学报录取4 Tyagi, M. and Acharya, S.,1999, Large Eddy Simulations of Rectangular Jets inCrossflow: Effect of Hole Aspect Ratio. Recent Advances in DNS and LES, SecondAFSOR Conference on DNS/LES, Eds D. Knight and L. Sakell, pp. 431-4425 Ajersch, P., Zhou, J.M., Ketler, S., Salcudean, M. and Gartshore, I. A. (1995), Multiple jets in a crossflow: detailed meas