不同激励形式对脉动气膜冷却特性影响的数值研究

为了探究不同激励形式对脉动气膜冷却特性的影响,在35°倾角平板射流模型中,采用非定常数值模拟方法进行相关研究。挑选常用的方波和正弦波作为冷气激励,无量纲激励频率斯特劳哈尔数St=0.019,0.047,0.093,0.263,0.441,重点对冷气附着和高温主流入侵现象进行了对比研究。结果表明:正弦激励下的冷气对壁面有更强的附着和更高的冷却效率;方波激励下的冷气穿透能力较强但对壁面附着相对较弱。此外,方波激励下存在主流入侵,会烧蚀气膜孔及局部壁面;而正弦激励使得冷气连续变化,能明显抑制主流入侵。更进一步,提高脉动周期内的最低吹风比不是抑制主流入侵的最佳方式,因为主流入侵主要是因为冷气量变化过于剧烈。针对正弦激励,冷气的无量纲激励频率St>0.263后也会导致主流入侵。考虑冷却效果和避免主流入侵,建议在实际应用中选用较低频连续波形作为激励。

正弦脉动激励对气膜冷却特性的影响

为了探究正弦脉动激励对气膜冷却特性的影响,采用大涡模拟方法,针对具有正弦脉动特征的气膜冷却射流与平板主流的相干机制展开研究,在平均吹风比为0.5和1.5的条件下重点研究脉动频率和幅值对气膜冷却流动传热的影响。研究结果表明:在高吹风比工况下,冷气脉动有助于提高气膜冷却性能,而在低吹风比工况下,作用效果完全相反;增大脉动幅值强化了肾形涡对的卷吸作用,而脉动频率变化的影响则不明显;在正弦脉动下,没有出现方波脉动那样大尺度的起动涡结构;与连续性射流相比,脉动射流可以显著提升气膜孔下游的湍流动能,但随着流向距离增加,脉动射流的影响变弱;功率谱密度分析结果表明,冷气脉动对小尺度涡旋能量的影响较明显。

热斑迁移路径上非定常气膜冷却特性研究

热斑在涡轮级中迁移会引起叶片局部温度过高,影响叶片使用寿命。本文在涡轮进口存在热斑的工况下,对整级涡轮叶栅进行数值模拟,研究热斑迁移路径上的气膜非定常冷却特性。结果表明:气膜孔附近区域流场和温度场的变化与主流周期性相同,动叶前缘经历热斑流场的时间约占整个周期的1/4。叶片前缘冷却射流可以冲散到达叶片前缘的热斑高温流体,热斑核心温度降低。采用压力脉动的气膜冷却的冷却效率低于常规气膜冷却,冷却效率随脉动频率的升高而增大。