气膜抽吸与叶片前缘内部壁面射流的作用机制

为揭示气膜抽吸对壁面射流流动与换热的干涉效应,获得壁面射流冷却通道内的流动特性与换热特性,建立了涡轮叶片前缘带气膜抽吸的单通道壁面射流冷却计算模型。采用RANS方法,结合SSTk-ω湍流模型,研究了气膜抽吸、射流雷诺数、气膜孔位置和数量等因素对壁面射流内部冷却特性的影响机制。结果表明:气膜抽吸会大幅提高流动结构的稳定性,气膜孔入口的分离涡则会显著提高孔口附近的换热系数;气膜抽吸引起壁面射流流量的降低不利于靶面下游的冷却,但滞止区和通道内的流动损失降低幅度大于气膜孔内的掺混损失,从而使整体流动损失系数降低了4.5%;射流雷诺数的增加会提高换热强度,但对流动结构几乎没有影响;单孔结构中,在前缘滞止线处开孔能够提供最高的气膜流量比,且对前缘内部靶面的冷却效果良好;多孔结构中,双气膜孔结构的流动损失最大,三气膜孔结构的流动损失和换热强度最为均衡。研究结果可为壁面射流冷却结构的气膜孔布置提供依据,为进一步提高壁面射流冷却结构的冷却效果提供参考。

气膜抽吸作用下透平叶片冲击冷却的一维管网计算方法研究

为了研究透平叶片冲击冷却结构的一维管网计算方法,利用Python自主编制了一维管网程序。分别选取平板冲击冷却、有无靶面气膜抽吸的前缘冲击冷却模型为研究对象,通过分析冲击冷却的内部流动换热特性,提出了局部阻力修正方法,并考虑了气膜抽吸的作用,提出了靶面气膜抽吸的前缘冲击冷却的换热修正方法。将管网计算结果分别与实验数据以及经湍流模型验证和网格无关性考核后的三维计算流体动力学(CFD)计算结果进行对比,对所编制的一维管网程序进行了验证。结果表明:所编制的一维管网程序在计算平板冲击冷却时计算精度较高,计算结果与实验数据吻合较好,相对误差不超过12.4%。对于前缘冲击冷却,经局部阻力修正后的一维管网程序流动计算结果误差较小,与三维CFD计算结果基本一致。由于气膜抽吸的作用,靶面气膜抽吸的前缘冲击冷却的计算精度有待进一步改进。综合考虑了气膜孔结构参数以及气膜孔出流比的影响后,提出了换热修正因子,并设计了管网模型的修正方案,经修正后靶面气膜抽吸的前缘冲击冷却的管网计算精度显著提高,相对误差基本在10%左右。