李皓璠, 云雪

(沈陽(yáng)飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所, 遼寧 沈陽(yáng) 110035)

對(duì)現(xiàn)有渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)性能進(jìn)行優(yōu)化可采取改變發(fā)動(dòng)機(jī)傳統(tǒng)循環(huán)模式、提高發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)參數(shù)、優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)等多種方法。發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪前溫度直接決定推進(jìn)系統(tǒng)的推力性能,高壓渦輪前溫度每提高10 K,推力可提高約1 470 N[1]。

目前渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片所采用的冷卻技術(shù)主要有外部冷卻和內(nèi)部冷卻2種方式,其中內(nèi)部冷卻中最重要的部分就是在葉片中部區(qū)域的帶肋通道冷卻[2]。Ayli等[3]研究了帶肋通道,擬合得到了強(qiáng)迫對(duì)流傳熱的傳熱關(guān)聯(lián)式。Liu等[4]對(duì)帶肋通道內(nèi)的截?cái)嗬哌M(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)相同換熱效率下采用截?cái)嗬呖山档蛪毫p失。Han[5]擬合得到了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下帶肋通道的傳熱關(guān)聯(lián)式。Wang等[6-7]采用數(shù)值模擬方法研究不同結(jié)構(gòu)內(nèi)冷通道,結(jié)果表明相對(duì)于45°V型肋,波紋肋的換熱效果更好。劉聰?shù)萚8]對(duì)三角形V肋和反向V肋的換熱效果進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)反向V肋的換熱效果更好。通過改變肋片結(jié)構(gòu)強(qiáng)化換熱的冷卻機(jī)理研究得到了廣泛發(fā)展[9]。但對(duì)于帶間隔的間斷肋片通道的流動(dòng)換熱研究較少。本文利用試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)寬高比為1的45°斜置帶肋通道進(jìn)行了詳細(xì)的測(cè)量,并開展數(shù)值模擬研究,驗(yàn)證了帶間斷間隔肋的新型結(jié)構(gòu)能夠有效提高換熱性能。

1 高壓渦輪葉片帶肋通道換熱性能衡量方法

在高壓渦輪葉片中增加肋結(jié)構(gòu),會(huì)在提升換熱性能的同時(shí),增加流動(dòng)阻力[10]。換熱能力以努賽爾數(shù)作為衡量指標(biāo),流動(dòng)阻力以摩擦因數(shù)作為衡量指標(biāo),為了將換熱性能強(qiáng)化和流體能量損失進(jìn)行綜合考慮,將換熱性能因子作為綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)[11],分別定義如下:

努塞爾數(shù)定義為

式中:Nu為努塞爾數(shù);k為流體導(dǎo)熱系數(shù),W·m-1·K-1;h為對(duì)流換熱系數(shù),W·m-2·K-1;q為通過壁面熱流密度,W;qloss為散熱損失,W;A為通道換熱面面積,m2;Tw為通道表面當(dāng)?shù)仄骄诿鏈販囟?K;Tb為冷卻工質(zhì)的溫度,K。

摩擦因數(shù)通過壓損Δp、通道長(zhǎng)度l和流體的流動(dòng)速度u求得

(3)

式中:f為摩擦因數(shù);Δp為流體壓力損失,Pa;u為氣流速度,m·s-1;l為通道長(zhǎng)度,m。

為了衡量帶肋通道的換熱能力與摩擦損失的大小,現(xiàn)在引入光滑通道內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱和摩擦因數(shù)的普遍關(guān)聯(lián)式

式中:Nu0為流體在光滑通道中努賽爾系數(shù);f0為流體在光滑通道中的摩擦因數(shù);Pr為流體的普朗特?cái)?shù)。

換熱性能因子FT計(jì)算公式為

(6)

2 寬高比為1的45°斜置帶肋通道換熱性能測(cè)量試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)平臺(tái)簡(jiǎn)介

寬高比為1的45°斜置帶肋通道試驗(yàn)原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1～2所示,試驗(yàn)裝置主要由風(fēng)機(jī)、試驗(yàn)段、電加熱器、控制與信號(hào)采集系統(tǒng)等組成。在試驗(yàn)過程中, 由風(fēng)機(jī)鼓入的空氣通過儲(chǔ)氣罐進(jìn)入帶肋面恒定熱流密度為2 000 W/m2的試驗(yàn)段中。調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)電磁閥的開度得到合適流量, 使試驗(yàn)段進(jìn)口雷諾數(shù)分別保持在10 000,20 000,30 000,40 000,50 000和60 000這6種工況,試驗(yàn)段進(jìn)口壓力控制在0.3 MPa左右,進(jìn)氣溫度為293 K。

圖1 試驗(yàn)平臺(tái)原理圖

圖2 試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

原型通道和新型結(jié)構(gòu)的具體參數(shù)如表1所示,序號(hào)2～7為新型結(jié)構(gòu),新型結(jié)構(gòu)是在流動(dòng)方向下游肋片遠(yuǎn)端位置對(duì)肋片進(jìn)行切除,序號(hào)3新型結(jié)構(gòu)如圖3所示。

表1 帶肋通道原型結(jié)構(gòu)及新型結(jié)構(gòu)的具體參數(shù)(肋片角度α=45°,肋片間距P/e=10)

圖3 沿流動(dòng)方向下游肋片切除的新型結(jié)構(gòu)

所有的熱電偶均焊接在外壁面相應(yīng)的測(cè)溫位置上,帶肋外壁面上沿中心線存在25個(gè)熱電偶測(cè)溫點(diǎn),測(cè)溫點(diǎn)從距離入口19 mm處開始,依次相距19 mm均勻排布,帶肋通道試驗(yàn)段外壁面熱電偶的分布如圖4所示。

圖4 熱電偶分布部分圖

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)帶肋通道帶肋外壁面中心線上的25個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了測(cè)量,試驗(yàn)結(jié)果如圖5～6所示。其中,沿流動(dòng)方向?yàn)閤正方向帶肋通道當(dāng)量直徑為D。

圖5 原型結(jié)構(gòu)帶肋面外壁面中心線Nu分布

對(duì)于寬高比為1的45°斜置帶肋通道原型結(jié)構(gòu),在10 000,20 000,30 000,40 000,50 000,60 000 6種雷諾數(shù)工況下,帶肋外壁面中心線上努塞爾數(shù)分布基本上呈現(xiàn)相同的規(guī)律:

1) 在0

2) 在2≤x/D<6區(qū)域,流動(dòng)進(jìn)入了充分發(fā)展?fàn)顟B(tài),入口段效應(yīng)基本消失,空氣溫度逐漸升高,努塞爾數(shù)逐漸減小, 帶肋面外壁面中心線上的努塞爾數(shù)隨著x/D的增加有逐漸減小的趨勢(shì);

3) 在x/D≥6區(qū)域,冷卻空氣對(duì)試驗(yàn)段的冷卻作用逐漸減弱,試驗(yàn)段的外壁面的溫度趨于平緩,x/D≥11位置的溫度有所下降,努塞爾數(shù)逐漸增大。

6種新型結(jié)構(gòu)的帶肋面外壁面中心線努塞爾數(shù)分布規(guī)律與原型結(jié)構(gòu)的分布規(guī)律基本上相似:

1) 在0

2) 與原型結(jié)構(gòu)不同的是,在0

3) 在x/D≥4區(qū)域,入口段效應(yīng)的影響逐漸消失,流動(dòng)狀態(tài)為充分發(fā)展,努塞爾數(shù)逐漸趨于平穩(wěn);

4) 在x/D≥10的區(qū)域,由于帶肋面的溫度有所降低,因此計(jì)算出來的努塞爾數(shù)有所升高,但變化程度非常小。

圖7為原型結(jié)構(gòu)和6種新型結(jié)構(gòu)帶肋通道的摩擦因數(shù)f的試驗(yàn)結(jié)果。新型結(jié)構(gòu)的摩擦因數(shù)f與原型結(jié)構(gòu)相比差別不大,其值均分布在0.029～0.054之間,且隨著Re的增加,f逐漸減小。

圖7 不同結(jié)構(gòu)帶肋通道的摩擦因數(shù)

3 寬高比為1的45°斜置帶肋通道換熱性能數(shù)值模擬

3.1 計(jì)算模型簡(jiǎn)介

采用Inventor軟件建立計(jì)算域,計(jì)算域的網(wǎng)格采用ICEM軟件生成,保證y+小于1。經(jīng)計(jì)算所得的網(wǎng)格無關(guān)性結(jié)果如圖8所示,本文選用進(jìn)口流量、壓力出口、熱流密度等邊界條件。

圖8 帶肋直通道網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

使用6種不同的湍流模型k-ε、k-w、RNGk-ε、SST、SSG和LRR對(duì)寬高比為1的45°斜置肋片帶肋單通道進(jìn)行數(shù)值模擬。使用SST湍流模型所得的數(shù)值計(jì)算結(jié)果較其他幾種湍流模型而言相對(duì)更加逼近試驗(yàn)結(jié)果。

當(dāng)使用SST計(jì)算模型時(shí),所得的單通道帶肋壁面外壁面中心線上平均努塞爾數(shù)和試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比情況如圖9所示。從進(jìn)口雷諾數(shù)從10 000變化到60 000的過程中數(shù)值模擬結(jié)果能準(zhǔn)確捕捉Nu數(shù)的變化趨勢(shì),數(shù)值模擬結(jié)果比試驗(yàn)結(jié)果的平均相對(duì)誤差為10.17%。

圖9 帶肋直通道SST湍流模型數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)值對(duì)比情況

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖10所示為寬高比為1的45°斜置肋片帶肋通道在Re=60 000時(shí),內(nèi)壁面努塞爾數(shù)比與1的差值。在流動(dòng)方向下游肋片遠(yuǎn)端3個(gè)肋高的區(qū)域差值為負(fù)值,切除這個(gè)區(qū)域的肋片以獲得更高的強(qiáng)化換熱效果。采用表1中的6種新型結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,以便相互驗(yàn)證。

圖10 原型結(jié)構(gòu)在Re=60 000時(shí)帶肋內(nèi)壁面換熱效果

不同結(jié)構(gòu)帶肋壁面平均努賽爾數(shù)比Nu/Nu0、摩擦因數(shù)比f/f0、平均強(qiáng)化換熱因子FT隨Re變化規(guī)律分別見圖11～13,在不同的入口雷諾數(shù)下?lián)Q熱性能有較大的差別。結(jié)論如下:

圖11 不同結(jié)構(gòu)帶肋壁面平均Nu/Nu0隨Re變化規(guī)律 圖12 不同結(jié)構(gòu)帶肋通道f/f0隨Re變化規(guī)律 圖13 不同結(jié)構(gòu)帶肋壁面平均FT隨Re變化規(guī)律

1) 相比于其他改良結(jié)構(gòu),全部肋片在流動(dòng)方向下游切除3.8 mm的新型結(jié)構(gòu)在綜合換熱性能上表現(xiàn)最優(yōu),摩擦因數(shù)比僅增加1.1%,而平均Nu數(shù)比和平均換熱因子分別平均增長(zhǎng)15%,14%;

2) 在進(jìn)口Re從10 000～60 000變化的情況下,全部肋片在流動(dòng)方向下游切除3.8 mm新型結(jié)構(gòu)平均努塞爾數(shù)比和強(qiáng)化換熱因子都是增加的,在低進(jìn)口Re數(shù)下,換熱性能增加不如其他結(jié)構(gòu),但是在高進(jìn)口Re數(shù)范圍內(nèi)(30 000～60 000),該新型結(jié)構(gòu)的2項(xiàng)強(qiáng)化換熱優(yōu)化結(jié)果均是新型結(jié)構(gòu)中最大值。

分析斜置肋片的強(qiáng)化換熱機(jī)理發(fā)現(xiàn),主要是由于在斜置肋片之后的3～6個(gè)肋高的二次流再附著,對(duì)于邊界層的破壞使得斜置肋片相較直肋片而言換熱性能大大提升,同時(shí)在主流區(qū)域存在著一個(gè)巨大的渦。形成的渦結(jié)構(gòu)將低溫工質(zhì)帶到高溫區(qū)域,形成非常好的換熱效果[12]。新型結(jié)構(gòu)換熱性能的提升是由渦旋核心分布的變化引起的。新型結(jié)構(gòu)與原型結(jié)構(gòu)的渦旋核心分布如圖14所示,從圖中可以明顯看出,二者的渦旋核心分布規(guī)律是相似的,都是由靠近右側(cè)光滑面的主流渦旋、肋片間的縱向渦和靠近左側(cè)光滑面的離散渦組成,這些渦旋構(gòu)成了帶肋通道中的主要二次流流動(dòng)。其中主渦靠近右側(cè)光滑面,距離帶肋壁面較遠(yuǎn),一般由第三根肋片開始形成并逐漸向下游發(fā)展、壯大?？v向渦沿著肋展方向流動(dòng),向著主流渦進(jìn)行靠攏,最終匯聚,但是可以看出新型結(jié)構(gòu)的由切除肋片帶肋的橫向渦強(qiáng)度相較于原型結(jié)構(gòu)的橫向渦有所提升,同時(shí)對(duì)于與主流匯聚的位置也更加靠近出口,給予帶肋壁面上二次流的分離與再附著更多的機(jī)會(huì),強(qiáng)化換熱的效果更明顯。

圖14 原型結(jié)構(gòu)渦旋核心分布規(guī)律(Re=60 000)

4 結(jié) 論

本文對(duì)寬高比為1的45°斜置帶肋通道的原始結(jié)構(gòu)與新型結(jié)構(gòu)的換熱特性進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量與數(shù)值模擬研究,得到以下結(jié)論:

1) 原型結(jié)構(gòu)與新型結(jié)構(gòu)同樣存在入口段效應(yīng),原型結(jié)構(gòu)入口段效應(yīng)集中在0

2) 原型結(jié)構(gòu)和新型結(jié)構(gòu)在進(jìn)口Re從10 000變化到60 000的過程中,數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果平均相對(duì)誤差為10.17%。數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示,全部肋片在流動(dòng)方向下游切除3.8 mm結(jié)構(gòu)的換熱性能是6種新型結(jié)構(gòu)中最優(yōu)的。帶肋面平均Nu數(shù)、平均Nu數(shù)比和平均換熱因子相比于原始結(jié)構(gòu)分別平均增長(zhǎng)25.1%,24.8%,22.7%。