【《关于端壁流动传热和冷却的研究文献综述》2700字】

关于端壁流动传热和冷却的研究文献综述涡轮叶栅端壁区域与中部的流动存在显著差异。叶栅内流体流速的不同使叶间产生了横向压力梯度，中部流体在通道内偏转产生的离心力可以消除这一压力梯度的影响，但端壁近壁区流体的偏转作用弱，压力梯度超过离心力，在横向梯度作用下该区域形成通道涡。前缘马蹄涡也对通道涡的生成起到一定作用。这些复杂的涡系结构，使流体偏移主流运动方向，并构成了二次流的主体部分。1955年，Hawthorne等人[7]假定二次流局限于叶片之间的矩形通道并从叶片向下游延伸，首次分析了二次流对叶片性能的影响。后续的许多研究表明进口产生的涡系对二次流具有重要影响，因此研究的重点转向整个叶栅通道内的流动测量。1983年，Sieverding和VanDenBosche[8]提出了一种彩色烟雾可视化技术并将其用于直涡轮叶栅二次流研究，描述了大转折角轮叶片通道中马蹄涡和通道涡的演变过程。Goldstein、Langston和Wang等人[9-11]的研究表明，马蹄涡在叶片前缘形成，接着分离为两部分，并向下游移动，与下游通道内的通道涡相互作用，产生复合涡系。复合涡系由通道压力侧到吸力侧的交叉流进一步驱动。当涡系通过通道时，它们的尺寸会增大，并向叶片吸力侧迁移，同时还会诱发其他几个较小的涡系。研究表明，叶片进口边界层流体的流动状态及叶片负荷对二次流强度具有决定性作用[12]。端壁换热强度由流动状态决定，Graziani[13]最早对加热叶栅端壁进行了传热测量，分析了二次流和边界层厚度的影响。Blair[14]实验测量了叶栅端壁的冷却及传热性能，研究表明，流动分离发生之前的进口端壁表面边界层较厚，因此，该区域的换热较弱，而发生流动分离后，下游的传热显著提升。Friedrich[15]认为端壁高换热区可分为7个部分，并研究了每一区域高换热现象产生的原因。高换热区划分如图1-4所示。图1-4端壁高换热区划分[15]许多学者针对端壁换热强度影响因素展开研究，Simon等[5]总结了端壁换热分布与实验条件及不同流动区域和流动状态的关系，发现部分区域的换热强度与流动状态有关，但前缘区、吸力面肩部和压力面角区等则是始终呈现高传热特性。Wang等[17]利用热变色液晶技术开展了亚音速级联导叶叶栅端壁传热实验，分析了不同进口气流角对实验结果的影响，并通过对比了三种两方程湍流模型下数值计算结果与实验结果的差异，结果表明，在端壁区域，前缘处的马蹄涡对传热有明显的影响，三种模型均能较好地模拟周向平均Nu，但会高估马蹄涡强度，导致数值传热结果高于实验测量结果。由于端壁区域热负荷较高，许多研究都通过对端壁进行气膜冷却的方法来降低端壁换热。由于复杂的三维流动特性和型面所带来的影响，端壁冷却设计比常规的平板冷却更为复杂，常用的冷却结构主要为冷却孔和槽缝等，针对气膜冷却孔的研究较多。Blair[14]最早开展了离散冷却孔的射流与二次流之间相互作用的研究，发现射流会随着二次流而偏转，前缘的马蹄涡对换热起到了增强作用的同时削弱了气膜冷却。Friedrichs等人[18]测量了低速线型涡轮叶栅端壁气膜冷却效率的分布，研究表明：马蹄涡吸力侧分支和通道涡不仅会引起二次损失，也会使冷却射流从端壁区域抬升，进而显著降低气膜冷却效率。考虑到冷却流会受到二次流影响而发生偏移，导致端壁部分区域未得到很好的冷却，1999年，Friedrichs[19]等人提出了一种能实现冷却流再分配的端壁全气膜冷却结构布置方案，冷却孔布置图如图1-5所示。结果表明，这种冷却结构布置方案可以降低叶栅气动损失，实现更好的气膜覆盖，从而提升冷却效果。图1-5端壁冷却孔布置[19]大部分端壁气膜冷却测量都是在叶栅装置中进行的，目的是研究叶栅装置的传热机理，优化冷却设计[20]。刘高文等人[21]通过实验对比了不同孔排数对叶栅端壁冷却性能的影响，结果表明，孔排数较多时气膜冷却效果更好，实验还显示了冷却效果与二次流的相关性。李劲劲等[22]通过数值模拟方法研究了气膜冷却孔布置对前缘端壁流动换热的影响，揭示了换热强度与孔间距离的相关性，结果表明，孔距越小，对端壁换热的改善效果越好。Liu等[23]对全覆盖气膜冷却的喷嘴端壁进行了热测量，对比了恒定主流雷诺数，不同吹风比下的端壁对流换热系数结果，实验结果表明，气膜冷却下的端壁传热结果随着吹风比和端壁区域的不同而发生变化。叶创捷等[24]数值模拟研究了某F级燃气轮机第一级动叶栅叶片端壁的流动换热结果，认为端壁可按特征被划分为四大换热区域，在这一基础在端壁上布置了13孔进行冷却。端壁气膜冷却效率的研究中，上游冷气喷射和离散冷却孔相结合的冷却结构设计可以抑制二次流发展，因此许多学者已经开展过相关研究。Thrift和Thole等人[25]的研究表明，通过上游槽喷射冷气，可以有效冷却前缘附近等难以冷却的区域。Takeishi等人[26]的研究揭示了在前缘上游进行冷气喷射对端壁冷却和抑制马蹄涡形成的作用。Shiau等人[27-28]的实验说明，出口冷气的质量流量与主流质量流量的比值越高，端壁冷却效果越好。Chowdhury等[29-30]利用压力敏感漆技术测量了不同主流和冷气条件下的端壁冷却效率分布，发现高质量流量的冷气对端壁二次流的生成可以起到抑制作用。祝培源等人[31]利用数值模拟方法进行研究，发现间隙距离叶片前缘越远，前缘附近的气膜冷效越低。同时，渐缩梯形间隙比原始间隙的冷却效果更具优势。姚韵嘉等人[32]的端壁冷却实验测量采用的是红外测温技术，利用这一技术测量了间隙射流存在下的气膜冷效，研究了二次流对射流气膜覆盖的影响。许多研究已经表明，高动量上游冷气可以抑制端壁二次流，对通道形成保护。考虑到端壁中下游区域同样存在较高的热负荷，需要布置气膜冷却孔，Wang等人[20]在叶片前缘上游布置双排圆孔的基础上分别设计了中弦长处的冷却孔排和下游冷却孔排两种端壁气膜冷却结构，对比了不同冷却条件下两种结构的端壁表面气膜效率分布。主要结论有：冷气与主流质量流量比越高时，中弦长处布置冷却孔排的冷却效果越好，但对下游布置冷却孔的结构可能无法提供理想的气膜冷却效果，当冷气流量足够大时，气膜覆盖面积增加并向下游延伸；下游布置孔排的冷却效率分布比中弦长布置孔排的横向扩散更强，但效率水平略低。图1-6是Bunker[33]对气膜冷却孔的引进和发展改进的时间线的总结。由于加工的限制，早期的气膜冷却孔多以圆柱孔为主，随着冷却需求的提高，为提升气膜冷却性能，气膜冷却孔的改型研究成为热点，常用的改型冷却孔是扩张型冷却孔。20世纪70年代初，Goldstein等人[34]提出了扩张型气膜冷却孔的开创性研究。结果表明扩张型孔的平均气膜冷却效率显著高于圆柱形孔，且覆盖范围大。2005年，Barigozzi等人[35]研究了扇形孔几何形状对叶片叶栅端壁气动冷却性能的影响，通过实验证明了扇形孔能达到比圆孔更好的冷却效果。Robe