成文娟 付猛

摘 ?要：本文在跨音速葉柵風(fēng)洞中進(jìn)行流動(dòng)實(shí)驗(yàn)，對(duì)按相似原理放大的模型葉片的壓力面和吸力面進(jìn)行了壓力測(cè)量，研究了接近真實(shí)狀態(tài)的雷諾數(shù)以及馬赫數(shù)對(duì)葉片流動(dòng)系數(shù)的影響，并通過(guò)數(shù)值模擬來(lái)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確程度。研究結(jié)果表明，壓力面和吸力面的壓力系數(shù)隨著雷諾數(shù)的增大幾乎沒(méi)有變化;葉柵出口馬赫數(shù)變化對(duì)葉片表面流動(dòng)系數(shù)的分布呈現(xiàn)不同的規(guī)律;計(jì)算出的壓力系數(shù)在大部分區(qū)域都與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

關(guān)鍵詞：高速葉柵風(fēng)洞;葉片;雷諾數(shù);馬赫數(shù);流動(dòng)系數(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：V231.3 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）05-0007-04

Abstract：In this paper，flow experiments were carried out in a transonic cascade heat transfer wind tunnel，the pressure and suction surfaces of model blades enlarged according to similarity principle were measured.The effects of Reynolds number and Mach number on the flow coefficients of the blades were studied. The accuracy of the experiments was verified by numerical simulation. The results show that the pressure coefficients of pressure surface and suction surface hardly change with the increase of Reynolds number;the distribution of flow coefficients on blade surface varies with the change of Mach number at cascade outlet;and the calculated pressure coefficients agree well with the experimental results in most regions.

Keywords：short-duration transonic cascade wind tunnel;blades;Reynolds number;Mach number;transfeflowr coefficient

0 ?引 ?言

多年來(lái)，許多國(guó)內(nèi)外的研究人員在渦輪葉片流動(dòng)方面做了許多實(shí)驗(yàn)方面的研究和數(shù)值模擬工作，并取得了相關(guān)方面的大量數(shù)據(jù)，對(duì)低速狀態(tài)下葉片流動(dòng)機(jī)理不斷獲得新的認(rèn)識(shí)，但有關(guān)渦輪葉片高速流動(dòng)狀態(tài)下的研究還比較薄弱，還在不斷發(fā)展，該項(xiàng)技術(shù)在高溫部件的潛力有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和利用。

Holger Brandt等人[1]在高速風(fēng)洞上詳細(xì)測(cè)量了吸力面上采用圓孔（兩種不同傾角）、簡(jiǎn)單扇形孔、laid-back沿流向傾角以及組合出氣角的扇形孔出流的流動(dòng)，流動(dòng)測(cè)量使用壓力探針，三維熱線風(fēng)速儀，吸力面使用油和燃料可視化技術(shù)，尾跡區(qū)使用氣動(dòng)探針，換熱測(cè)量使用穩(wěn)態(tài)寬帶液晶技術(shù)，葉片采用電加熱。

Gregory M.Laskowski等人[2]通過(guò)CFD軟件對(duì)NASA C3X葉片和VKI轉(zhuǎn)子的表面壓力和換熱系數(shù)做了模擬，發(fā)現(xiàn)無(wú)氣膜冷卻時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬是一致的。Wolfgang Ganzert等人[3]用高速風(fēng)洞和穩(wěn)態(tài)液晶技術(shù)研究了孔型和出氣角對(duì)吸力面換熱的影響，測(cè)量了葉柵總壓損失系數(shù)，靜壓分布、油和燃料的可視化給出了孔附近的表面流動(dòng)狀態(tài)和邊界層的發(fā)展情況。本文的主要內(nèi)容是在跨音速葉柵傳熱風(fēng)洞中，研究進(jìn)口雷諾數(shù)、出口馬赫數(shù)對(duì)渦輪葉片表面流動(dòng)系數(shù)的影響，并通過(guò)數(shù)值模擬來(lái)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

1 ?實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)是在跨音速葉柵傳熱風(fēng)洞中進(jìn)行的，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示，大開(kāi)角擴(kuò)散段和穩(wěn)壓艙位于實(shí)驗(yàn)段上游，其目的是保證氣流進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段后比較均勻。葉柵的進(jìn)口雷諾數(shù)和出口馬赫數(shù)通過(guò)調(diào)節(jié)葉柵進(jìn)、出口的壓力來(lái)確保，而葉柵上游的節(jié)流閥、下游的蝶閥以及引射器（均為手動(dòng)調(diào)節(jié)）可以共同調(diào)節(jié)葉柵進(jìn)、出口壓力。

實(shí)驗(yàn)段通道截面形狀為700mm×120mm的矩形，實(shí)驗(yàn)葉片弦長(zhǎng)為122mm，柵距為87.5mm，進(jìn)氣角90°，出氣角15°，葉高為120mm，共由8片直葉片組成，中間2片葉片為無(wú)氣膜孔的環(huán)氧樹(shù)脂葉片，其余均為鋼制葉片，靜壓孔布置如圖2所示;流動(dòng)實(shí)驗(yàn)是在位于實(shí)驗(yàn)葉片左側(cè)的一個(gè)鋼制葉片上打孔來(lái)測(cè)量壓力分布，葉背側(cè)布有16個(gè)測(cè)量靜壓的小孔，這些小孔通過(guò)多根塑料導(dǎo)管以及壓力掃描閥進(jìn)行連接、測(cè)量葉背和葉盆面的靜壓。

2 ?實(shí)驗(yàn)工況與數(shù)據(jù)處理方法

3 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)葉柵進(jìn)口雷諾數(shù)Re的范圍為10×104～80×104，出口馬赫數(shù)Ma的范圍為0.37～1.16。

實(shí)驗(yàn)主要研究了進(jìn)口雷諾數(shù)Re以及出口馬赫數(shù)對(duì)葉片表面流動(dòng)分布的影響。橫坐標(biāo)s表示相對(duì)弧長(zhǎng)，縱坐標(biāo)CP表示葉片表面壓力系數(shù)。

3.1 ?變雷諾數(shù)

葉片表面上的流動(dòng)特性對(duì)表面的換熱特性有著非常重要的影響。相同馬赫數(shù)不同雷諾數(shù)下的靜壓分布規(guī)律如圖3-圖6所示。

由圖可以看出，壓力面和吸力面的壓力系數(shù)隨著雷諾數(shù)的增大幾乎沒(méi)有變化，表明在實(shí)驗(yàn)工況范圍內(nèi)，進(jìn)口雷諾數(shù)對(duì)無(wú)氣膜冷卻葉片表面的流動(dòng)特性影響很小。前緣區(qū)在葉片吸力面50%弧長(zhǎng)處壓力系數(shù)最小，出現(xiàn)了較大的逆壓梯度，所以此時(shí)出現(xiàn)了邊界層的分離，說(shuō)明氣流加速到最大值，此后壓力增加平緩，說(shuō)明氣流速度減小。對(duì)于壓力面，壓力系數(shù)基本上是沿途下降，即此時(shí)的流動(dòng)處于順壓梯度下，所以邊界層外緣的主流速度將在沿途加速，從駐點(diǎn)開(kāi)始到大約50%弧長(zhǎng)處壓力有微弱的減小，表明氣流加速比較平緩。從50%弧長(zhǎng)至尾緣處，壓力系數(shù)急劇下降以及氣流速度迅速上升，從而確保了流動(dòng)的穩(wěn)定，所以在壓力面并沒(méi)有出現(xiàn)流動(dòng)分離現(xiàn)象。

3.2 ?變出口馬赫數(shù)

相同雷諾數(shù)不同馬赫數(shù)下的靜壓分布規(guī)律如圖7-圖10所示。

從圖中可以觀察到同一雷諾數(shù)下馬赫數(shù)對(duì)壓力面前緣（s>-0.4）部分的壓力系數(shù)影響很小，從大約40%弧長(zhǎng)處開(kāi)始到尾緣的壓力系數(shù)隨著馬赫數(shù)的增大而增大，馬赫數(shù)越大，壓力下降得越快，速度變化越大。馬赫數(shù)越大，吸力面轉(zhuǎn)捩點(diǎn)之前的壓力系數(shù)下降得越快，而且當(dāng)馬赫數(shù)達(dá)到最大的時(shí)候，靜壓最低點(diǎn)后移。吸力面靜壓最低點(diǎn)隨著馬赫數(shù)的增大向下游的尾緣靠近，表明吸力面的氣流加速在50%弧長(zhǎng)處即可完成。從圖中還可以觀察到馬赫數(shù)越大，吸力面壓力上升的速度越快。

4 ?數(shù)值模擬

4.1 ?數(shù)值計(jì)算方法

N-S紊流時(shí)均方程的求解采用ANSYS CFX進(jìn)行計(jì)算。流體域流質(zhì)為空氣，溫度為300K，采用熱能換熱模型，參考?jí)毫?大氣壓，湍流模型采用計(jì)算湍流常用模型K-epsilon，各參數(shù)的離散采用一階精度的迎風(fēng)格式。解收斂的判斷標(biāo)準(zhǔn)是相對(duì)殘差小于1×10-6。

4.2 ?計(jì)算域

為了與本次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，本文進(jìn)行了葉片表面流動(dòng)的數(shù)值模擬。采用的計(jì)算域與如圖11所示的無(wú)氣膜冷卻的導(dǎo)葉葉柵實(shí)驗(yàn)段基本相符合，且在Y方向上向葉片前緣上游和尾緣下游分別包含了一個(gè)葉片柵距，針對(duì)葉柵所具有的周期性和對(duì)稱性，在周向X方向上也只包含了一個(gè)柵距，徑向Z方向上只有1mm的高度，計(jì)算模型如圖12所示。

4.3 ?網(wǎng)格生成

網(wǎng)格系統(tǒng)采用非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格生成方法，在比較關(guān)注的區(qū)域葉片前緣、尾緣以及吸力面附近進(jìn)行網(wǎng)格局部加密，從而使網(wǎng)格密度可以捕捉到流動(dòng)和換熱的基本特征。壁面附近則采用邊界層型的網(wǎng)格。本次采用桶制法（cooper）生成三維網(wǎng)格，即將平面網(wǎng)格沿某一方向進(jìn)行拓展復(fù)制生成三維網(wǎng)格的方法，生成的整體三維網(wǎng)格如圖12所示，網(wǎng)格生成求解器采用了ANSYS中的CFX求解器。

葉片尾緣附近及邊界層型網(wǎng)格局部放大圖如圖13所示，由圖可以看出，很大一部分區(qū)域采用了三角形網(wǎng)格，在葉片型面附近采用7層貼壁的邊界層型網(wǎng)格，第一層網(wǎng)格中心距壁面的距離為0.1mm，整體三維網(wǎng)格沿葉高方向延伸了1層，整個(gè)計(jì)算域的網(wǎng)格單元數(shù)為120，130。計(jì)算結(jié)果表明，本文網(wǎng)格分布足以消除網(wǎng)格密度的影響，這套網(wǎng)格基本保證了網(wǎng)格的獨(dú)立性。

4.4 ?邊界條件

與實(shí)驗(yàn)工況基本保持一致是邊界條件的給定原則，葉柵通道之間的流通截面一般采用周期性邊界條件，而葉片上下截面則采用對(duì)稱邊界條件，型面為無(wú)滑移和滲透的壁面條件，為了模擬葉片表面的傳熱問(wèn)題，壁面給定了350K的恒溫。前緣上游截面為壓力進(jìn)口邊界條件，進(jìn)口紊流度給定為5%，來(lái)流總溫為300K。尾緣下游截面為壓力出口邊界條件。

4.5 ?計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

計(jì)算工況為Re=30×104，Ma=0.37。葉片型面上的靜壓系數(shù)分布如圖14所示。從圖中可以看到，數(shù)值模擬出的壓力系數(shù)在大部分區(qū)域都與本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。由圖14還可以觀察到，在葉片吸力面前緣部分，壓力迅速降低，在S/C大約等于0.4時(shí)，氣流速度加速到最大值，此時(shí)壓力降到最低，而后氣流速度有一定的減速，靜壓值有所恢復(fù)。壓力面在S/C=-0.05～-0.4范圍內(nèi)，靜壓下降比較平緩，而后壓力又快速下降，壓力面從前緣到尾緣壓力系數(shù)一直呈下降趨勢(shì)，但壓力面靜壓始終大于吸力面。

5 ?結(jié) ?論

（1）在跨音速葉柵傳熱風(fēng)洞中，測(cè)量的無(wú)氣膜冷卻葉片表面流量系數(shù)是實(shí)際雷諾數(shù)和馬赫數(shù)下無(wú)氣膜冷卻葉片表面的流量系數(shù)分布，本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)葉片流動(dòng)設(shè)計(jì)有重要的參考意義;

（2）在馬赫數(shù)一定時(shí)，壓力面和吸力面的壓力（系數(shù)）隨著雷諾數(shù)的增大幾乎沒(méi)有變化，表明在實(shí)驗(yàn)工況范圍內(nèi)，進(jìn)口雷諾數(shù)對(duì)葉片表面氣流流動(dòng)特性幾乎沒(méi)有影響或者影響很小;

（3）在雷諾數(shù)一定時(shí)，葉柵出口馬赫數(shù)變化對(duì)葉片表面流動(dòng)系數(shù)的分布呈現(xiàn)不同的規(guī)律;

（4）計(jì)算出的壓力系數(shù)在大部分區(qū)域都與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，數(shù)值計(jì)算可以較好地模擬葉片表面流動(dòng)問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

[1] Holger Brandt，Wolfgang Ganzert，Leonhard Fottner，2000，“A Presentation of Detailed Experimental Data of a Suction Side Film Cooled Turbine Cascade”，ASME 2000-GT-0296.

[2] Gregory M.Laski，Anil K.Toopadi，Michael C.Ostrowski，2007，“Heat Transfer Predictions of Film Cooled Stationary Turbine Airfoils，”ASME GT-2007-27497.

[3] Holger Brandt，Wolfgang Ganzert，Leonhard Fottner，2000，“Systematic Experimental and Numerical Investigations on the Aerothermodynamics of a Film Cooled Turbine Cascade With Variation of the Cooling Hole Shape：Part I — Experimental Approach”，ASME 2000-GT-0295.

作者簡(jiǎn)介：成文娟（1986-），女，漢族，山西臨汾人，工程師，碩士，研究方向：航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。