燃?xì)廨啓C(jī)葉片冷卻溫度場(chǎng)仿真及分析 莊夢(mèng)晴

1、燃?xì)廨啓C(jī)葉片冷卻溫度場(chǎng)仿真與分析摘 要： 21世紀(jì)之后，隨著機(jī)械行業(yè)發(fā)展的突飛猛進(jìn)，其主要?jiǎng)恿υ窗l(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展也備受關(guān)注。就世界各國(guó)而言，動(dòng)力裝置在農(nóng)業(yè)、航空、國(guó)防等眾多領(lǐng)域都處于舉足輕重的地位。然而，隨著地球有限資源的限制、生態(tài)環(huán)境的不斷惡化，節(jié)能減排綠色發(fā)展已成為動(dòng)力裝置發(fā)展的巨大挑戰(zhàn)。迄今為止，隨著燃?xì)廨啓C(jī)的迅猛發(fā)展及相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的不斷完善，冷卻技術(shù)已經(jīng)成為提高動(dòng)力效率和降低能耗的最有效經(jīng)濟(jì)的途徑之一。燃?xì)廨啓C(jī)葉片作為其尤為重要的一個(gè)部件，因其工作環(huán)境非常惡劣，任何設(shè)計(jì)和制造中的缺陷都可能導(dǎo)致工作效率的降低，甚至帶來(lái)重大的經(jīng)濟(jì)損失，其葉片的性能對(duì)整個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)的性能具有重要影響2。在葉片材料

2、上使用新型具有良好抗高溫腐蝕，抗低周熱疲勞及抗葉片蠕變的鎳基合金材料外，同時(shí)還要在葉片等高溫部件上使用先進(jìn)的冷卻技術(shù)。在一些發(fā)達(dá)國(guó)家燃?xì)廨啓C(jī)葉片冷卻技術(shù)已經(jīng)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展并且繼續(xù)保持強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭。氣膜冷卻技術(shù)的發(fā)展大概興起于70年代末期，該技術(shù)已經(jīng)在燃?xì)廨啓C(jī)、渦輪機(jī)等葉片冷卻中得到了廣泛的應(yīng)用。但是，目前我國(guó)對(duì)葉片溫度場(chǎng)的分布特點(diǎn)研究多局限于宏觀實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)方法雖然可以得到其大概分布，但其中的微觀流態(tài)很難得到反映，對(duì)冷卻技術(shù)的改進(jìn)和發(fā)展存在限制。隨著機(jī)械行業(yè)的迅猛發(fā)展,燃?xì)廨啓C(jī)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用,冷卻技術(shù)已經(jīng)成為提高動(dòng)力效率的最有效的經(jīng)濟(jì)途徑之一。因此研究燃?xì)廨啓C(jī)葉片氣膜冷卻的流動(dòng)與

3、傳熱特性對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)葉片的改進(jìn)具有重要的指導(dǎo)意義。本文采用標(biāo)準(zhǔn)-紊流方程，基于SIMPLE算法，結(jié)合有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散，對(duì)常規(guī)圓柱形單孔排布結(jié)構(gòu)的葉片在主流速度分別為2m/s、5m/s和10m/s，溫度為1300K的主流環(huán)境中葉片的溫度分布情況進(jìn)行了模擬，同時(shí)研究了大小射流孔交替排列，對(duì)氣膜冷卻效率的影響，并與常規(guī)圓柱形射流孔排布結(jié)構(gòu)的氣膜冷卻進(jìn)行了分析和對(duì)比。而且研究了不同冷氣入口速度時(shí)葉片的溫度分布情況。最后得出本文研究結(jié)論，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)氣膜冷卻的改進(jìn)提出了意見(jiàn)，以達(dá)到提高葉片使用壽命的目的。1 主流速度對(duì)氣膜冷卻影響數(shù)值模擬的建模及計(jì)算過(guò)程1.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置表1.1 燃?xì)廨啓C(jī)葉片

4、結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)表名稱數(shù)值葉片高度20mm冷氣孔半徑6mm射流孔半徑1.5mm各排射流孔個(gè)數(shù)4射流孔間距4.5mm葉片前緣射流孔角度90°葉片壓力面射流孔角度60°葉片吸力面射流孔角度15°1.2 模擬結(jié)果與分析 (1)首先觀察比較當(dāng)主流速度分別為2m/s、5m/s和10m/s時(shí)，葉片壓力面溫度場(chǎng)分別如圖1.1、圖1.2和圖1.2所示。比較三個(gè)不同主流速度下葉片壓力面溫度場(chǎng)，可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)主流速度為2m/s時(shí)，整個(gè)葉片壓力面的溫度最低。但隨著無(wú)量綱距離x/d的增加，葉片溫度越高，最高溫度出現(xiàn)在葉片尾端。同樣，當(dāng)主流速度分別為5m/s和10m/s時(shí)，葉片壓力面的溫度分布情

5、況與上述情況相同，溫度最高的部分都是出現(xiàn)在葉片的尾部。但縱向比較三個(gè)葉片，可以發(fā)現(xiàn)，主流速度越大，葉片壓力面的整體溫度越高。說(shuō)明：由于主流的存在，會(huì)影響葉片表面的氣膜覆蓋情況，會(huì)使射流偏離葉片表面，主流速度越大，對(duì)射流的影響也就越大，所以會(huì)出現(xiàn)主流速度越大葉片壓力面溫度越高的。圖1.1 主流速度為2m/s時(shí)葉片壓力面溫度場(chǎng)圖1.2 主流速度為5m/s時(shí)葉片壓力面溫度場(chǎng)圖1.3 主流速度為10m/s時(shí)葉片壓力面溫度場(chǎng)(2)觀察比較當(dāng)主流速度分別為2m/s、5m/s和10m/s時(shí)，葉片吸力面的溫度場(chǎng)。分別用下圖的圖1.4、1.5和1.6所示。圖1.4 主流速度為2m/s時(shí)葉片吸力面溫度場(chǎng)圖3.5

6、主流速度為5m/s時(shí)葉片吸力面溫度場(chǎng)觀察比較三個(gè)不同主流速度下的葉片吸力面的溫度場(chǎng)。觀察發(fā)現(xiàn)：在吸力面射流孔之后的區(qū)域，葉片溫度會(huì)隨著無(wú)量綱距離x/d的值的增加而增加，這是因?yàn)殡S著x/d的增加，氣膜厚度減小，而且主流與射流的摻混作用越強(qiáng)，所以冷卻效率越低，葉片的溫度越高。在吸力面射流孔之前葉片的溫度較高，這是因?yàn)槿~片前緣射流孔的分布及角度問(wèn)題，導(dǎo)致這部分沒(méi)有氣膜覆蓋，所以這部分的溫度會(huì)比較高。如圖可以清楚的看出氣膜冷卻的效果。圖1.6 主流速度為10m/s時(shí)葉片吸力面溫度場(chǎng)(3) 觀察比較當(dāng)主流速度分別為2m/s、5m/s和10m/s時(shí)，葉片前緣的溫度場(chǎng)。分別用下圖的圖1.7、1.8和1.9所

7、示。圖1.7 主流速度為2m/s時(shí)葉片前緣溫度場(chǎng)圖1.8 主流速度為5m/s時(shí)葉片前緣溫度場(chǎng)圖1.9 主流速度為10m/s時(shí)葉片前緣溫度場(chǎng)觀察三不同個(gè)流速下的葉片前緣溫度場(chǎng),可以發(fā)現(xiàn)隨著主流速度的增大，葉片前緣部分的溫度依次升高。產(chǎn)生這種溫度分布的原因和上述原因一樣，都是因?yàn)橹髁魉俣仍酱?，?duì)射流的擾動(dòng)越大，所以葉片溫度就越高。2 大小射流孔相間排列對(duì)氣膜冷卻影響數(shù)值模擬的建模和計(jì)算過(guò)程2.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置本章將對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)葉片氣膜冷卻的數(shù)值模擬，依舊是順流情況下的模擬，但這次的模型將改為大小射流孔交替分布，觀察比較這種情況下葉片壓力面、吸力面和前緣的溫度和壓力分布。如圖2.1所示，是本章所用模擬

8、葉片氣膜冷卻的葉片結(jié)構(gòu)的實(shí)體示意圖和三維造型。各個(gè)部分的作用同第三章，在此不再詳細(xì)介紹。圖2.1 大小射流孔交替排列模型燃?xì)廨啓C(jī)葉片中冷氣孔和射流孔的尺寸大小決定了氣膜冷卻的效果，葉片尺寸如表2.1所示。表2.1 葉片結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)表名稱數(shù)值葉高30mm冷氣空半徑6mm大射流孔半徑2mm小射流孔半徑1mm大射流孔個(gè)數(shù)4小射流孔個(gè)數(shù)3射流孔間距4mm葉片前緣射流角度20°葉片壓力面射流角度60°葉片吸力面射流角度20°2.2 模擬結(jié)果與分析 (1)首先觀察比較當(dāng)主流速度分別為2m/s、5m/s和10m/s時(shí)，葉片壓力面溫度場(chǎng)分別如圖2.2、圖2.3和圖2.4所示。圖2

9、.2 主流溫度為2m/s時(shí)葉片壓力面溫度分布比較三種不同主流速度下的葉片壓力面溫度。可以發(fā)現(xiàn)：主流速度越大時(shí)，葉片壓力面溫度越高，原因和上述原因一樣，即主流速度越大，對(duì)射流的擾動(dòng)越大，所以冷卻效率越低。比較相同主流速度下，葉片壓力面的溫度分布情況，可以發(fā)現(xiàn)：無(wú)論主流速度為2m/s、5m/s還是10m/s時(shí)，大小孔交替排列的情況下比射流孔孔徑大小相同的排布情況的葉片壓力面溫度低，即大小孔交替排列時(shí)氣膜冷卻的效率高。圖2.3 主流速度為5m/s時(shí)壓力面溫度分布圖2.4 主流速度為10m/s時(shí)壓力面溫度分布 (2)觀察比較當(dāng)主流速度分別為2m/s、5m/s和10m/s時(shí)，葉片吸力面的溫度場(chǎng)。分別用下

10、圖的圖2.5、2.6和2.7所示。比較三個(gè)不同主流速度下，大小射流孔交替分布時(shí)葉片吸力面溫度分布情況?？梢园l(fā)現(xiàn)：主流速度越大，葉片壓力面的溫度越高?？v向比較相同主流速度，射流孔徑不同時(shí)葉片壓力面溫度分布情況，發(fā)現(xiàn)大小射流孔交替排布時(shí)的氣膜冷卻效率比相同孔徑射流孔排布時(shí)氣膜冷卻效率高。這是因?yàn)樾】椎拇嬖?，增加了冷氣?duì)葉片表面展向覆蓋寬度，增加了展向冷卻效率。圖2.5 主速度為2m/s時(shí)葉片吸力面溫度分布圖2.6 主流速度為5m.s時(shí)吸力面溫度分布圖2.7 主流速度為10m/s時(shí)葉片吸力面溫度分布圖2.8 主流速度為2m/s時(shí)葉片前緣溫度分布圖2.9 主流速度為5m/s時(shí)葉片前緣溫度分布圖2.10

11、 主流速度為10 m/s時(shí)葉片前緣溫度分布(3) 觀察比較當(dāng)主流速度分別為2m/s、5m/s和10m/s時(shí)，葉片前緣的溫度場(chǎng)。分別用上圖的圖2.8、2.9和2.10所示。觀察三種情況下的溫度分布圖，可以發(fā)現(xiàn)，相同主流速度時(shí)，大小孔徑射流孔交替排布的氣膜冷卻效率比相同孔徑的射流孔排布情況的冷卻效率高。3 冷氣流的入口速度對(duì)氣膜冷氣效率的影響3.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置本章模擬所用模型即第三章中所用的模型,不同的是,本章將研究當(dāng)冷氣流入口速00度不同時(shí),對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)葉片冷卻效率的影響。主流流體依舊選擇溫度為1300K，速度為4m/s的空氣，而冷氣流選用溫度為300K的空氣，但是模擬時(shí)入口速度分別設(shè)定為1m/

12、s、2m/s和4m/s，設(shè)定方法不在此一一贅述。觀察不同冷氣流入口速度對(duì)葉片壓力面、葉片吸力面和葉片前緣的溫度分布的影響。3.2 模擬結(jié)果與分析(1)首先觀察比較當(dāng)冷氣流入口速度分別為1m/s、2m/s和5m/s時(shí)，葉片壓力面溫度場(chǎng)分別如圖3.1、圖3.2和圖3.3所示。圖3.1冷氣流入口速度為1m/s時(shí)葉片壓力面溫度場(chǎng)圖3.2 冷氣流入口速度為2m/s時(shí)葉片壓力面溫度場(chǎng)圖3.3 冷氣流入口速度為4m/s時(shí)葉片壓力面溫度場(chǎng)比較當(dāng)冷氣流入口速度不同時(shí)葉片壓力面溫度場(chǎng)分布情況，可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)冷氣流入口速度越大時(shí)，葉片壓力面的溫度越低。而且當(dāng)冷氣流入口速度為1m/s和2m/s時(shí)葉片壓力面的冷卻效率隨著

13、無(wú)量綱距離x/d的增加很快降低，而當(dāng)冷氣流入口速度為4m/s時(shí)葉片整體溫度較低。這是因?yàn)槔錃饬魅肟谒俣仍酱螅谌~片表面形成的冷氣膜更替越快，這樣就會(huì)不斷有新的冷空氣氣膜覆蓋在原來(lái)的氣膜之上，所以葉片壓力面的溫度會(huì)比較低。(2)觀察比較當(dāng)冷氣流入口速度分別為1m/s、2m/s和4m/s時(shí)，葉片吸力面的溫度分布情況，分別用下圖的圖3.4、3.5和3.6所示。圖3.4 冷氣流入口速度為1m/s時(shí)葉片吸力面溫度場(chǎng) 圖3.5 冷氣流入口速度為2m/s時(shí)葉片吸力面溫度場(chǎng)圖3.6 冷氣流入口速度為4m/s時(shí)葉片吸力面溫度場(chǎng)比較當(dāng)冷氣流入口速度不同時(shí)，葉片吸力面溫度場(chǎng)的分布情況，可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)主流速度相同時(shí)，冷

14、氣流入口速度越大，葉片吸力面的溫度越低。原因和上述原因一樣。(3)觀察比較當(dāng)冷氣流入口速度分別為1m/s、2m/s和4m/s時(shí)，葉片吸力面的溫度分布情況，分別用下圖的圖3.7、3.8和3.9所示。圖3.7 冷氣流入口速度為1m/s時(shí)葉片前緣溫度場(chǎng)圖3.8 冷氣流入口速度為2m/s時(shí)葉片前緣溫度場(chǎng)比較當(dāng)主流速度相同，冷氣流入口速度不同時(shí)，葉片前緣溫度場(chǎng)分布情況可以發(fā)現(xiàn)葉片前緣溫度的分布情況和葉片壓力面、葉片吸力面的溫度分布情況相同，都是冷氣流入口速度越大葉片前緣溫度越低。由于射流孔角度和葉片結(jié)構(gòu)的問(wèn)題，葉片前緣會(huì)有一部分不能被氣膜覆蓋，達(dá)不到冷卻的效果，所以溫度較高。圖3.9 冷氣流入口速度為4m/s時(shí)葉片前緣溫度場(chǎng)結(jié) 論本文以燃?xì)廨啓C(jī)葉片氣膜冷卻為工程背景，采用了FLUENT數(shù)值模擬的方法研究了單個(gè)葉片在三種不同情況下的葉片溫度分布情況?？梢缘贸鲆韵陆Y(jié)論：(1)因本文所建立模型中射流孔并沒(méi)有覆蓋整個(gè)葉片，所以通過(guò)觀察整個(gè)葉片的溫度分布情況，可以發(fā)現(xiàn)：氣膜冷卻可以很有效的降低葉片溫度。(2)當(dāng)孔排相同時(shí)，在主流速度分別為2m/s、5m/s和10m/s時(shí)，冷卻效率與主流速度成反比例關(guān)系，即主流速度越大，對(duì)射流速度的擾動(dòng)越大，所以冷卻效率越低。(3)相同情況下，大小射流孔交替排布時(shí)的冷卻效率比相同孔徑的射流孔排布時(shí)，氣膜冷卻效率要高。(4)大小射流孔交替排布時(shí)，依然遵循射流速度越小