Effects of Injection Angles and Aperture Ratios on Film Cooling Performance of Sister Holes

In this paper,to analyze the influences of the injection angles and aperture ratios (AR) of the primary hole and the side hole on the film cooling performance of a flat plate model,pressure sensitive paint (PSP) technology was used to study the forward and backward jet of a single hole and four sister holes,and a numerical simulation was supplemented to explore the flow structure of the sister holes.The sister holes had a better film cooling performance than the cylindrical hole at all blowing ratios (BR).The backward jet of the primary hole or the side hole could increase the spanwise film coverage of the sister hole.In this study,with the primary hole featuring a backward jet and the side hole featuring a forward jet,the film cooling performance was the best,11.9 times higher than the areal mean film cooling efficiency of the cylindrical hole when AR=1 and BR=1.5.At a low blowing ratio,the counter-rotating vortex pair (CRVP) of the side hole could suppress the strength of the CRVP of the primary hole.At a high blowing ratio,when the primary hole featured a backward jet and the side hole featured a forward jet,the CRVP of the side hole had the optimal performance for suppressing the CRVP of the primary hole.

姊妹孔平板气膜冷却效率的数值模拟

利用Fluent软件对Navier-Stokes方程进行求解,采用Realizable k-ε模型研究了30°、45°和60°3种夹角姊妹孔射流对气膜冷却效率的影响,讨论了2个次孔夹角角度对流动温度场和姊妹孔平板冷却效率的影响.结果表明:姊妹孔主要是通过2个次孔产生的涡旋结构和主孔涡旋结构相互作用来提高冷却效率的,将被抬离的射流中心向横向方向拉拽,破坏反向对涡旋,将升力变为展向拉力,既提高了射流贴壁性又增大了展向覆盖面积;姊妹孔夹角为30°时,平板的气膜冷却效率最高.

孔型对平板气膜冷却效率影响的数值模拟

为了研究孔型对平板气膜冷却绝热效率(冷却效率)的影响,基于SSTk-ω紊流模型及Simple算法,采用有限体积法对控制方程进行离散。对不开槽姊妹孔(1个主孔和2个次孔)、开槽圆柱孔以及开槽姊妹孔3种不同孔型的平板气膜冷却效率进行数值模拟,得出吹风比分别为0.5,1.0,1.5,2.0时X/D=4截面的速度云图,以及不同孔型平板气膜的冷却效率。分析结果表明:随着吹风比的增大,3种孔型平板气膜的冷却效率降低;在低吹风比(M=0.5)时开槽姊妹孔平板气膜的平均冷却效率和覆盖区域最优;在高吹风比(M=2.0)时开槽圆柱孔平板气膜的平均冷却效率和覆盖区域最优。

姊妹孔与单入双出孔平板气膜冷却效率的数值模拟

采用Fluent分离隐式求解器进行稳态计算,在吹风比为0.5、1.0、1.5和2.0的情况下,采用Realizable k-ε湍流模型对圆柱孔、单入双出孔和姊妹孔平板气膜冷却进行数值模拟,讨论不同孔形平板主流方向和平板横向的冷却效率以及流场变化.结果表明:主流方向在近孔区域姊妹孔冷却效率高于单入双出孔,且随着吹风比的增大优势更加明显,但是由于射流贴附壁面较早,射流与主流掺混引起动量损失,到远孔区域以后,姊妹孔冷却效率稍微下降,低于单入双出孔;姊妹孔平板横向近孔区域的气膜层分布较均匀,单入双出孔远孔区域由于主孔与次孔射流速度差引起气膜层偏移,导致平板一侧冷却效果好,另一侧冷却效果欠佳;吹风比较小时单入双出孔冷却效果较佳,大吹风比下姊妹孔优势明显.

开槽姊妹孔对平板气膜冷却传热的影响

采用Realizable k-ω紊流模型,在SIMPLE算法的基础上,利用有限体积法对控制方程进行离散,数值研究了开槽姊妹孔在不同吹风比时,对平板气膜冷却和传热性能的影响,得到了不同截面上的涡量图和不同吹风比下的冷却效率云图及努赛尔数分布,并与相同条件下不开槽姊妹孔计算结果进行了比较分析。结果表明:各吹风比下,相比于不开槽姊妹孔,开槽姊妹孔能提高近冷却孔出口区域的气膜冷却效率,并优化气膜在热表面上的分布。

改进姊妹孔气膜冷却效率数值模拟

针对改进姊妹孔在吹风比为0.5、1.0、1.5、2.0情况下的温度场、流场以及冷却效率分布作了数值研究,模拟结果与圆柱孔和传统姊妹孔进行了分析比较。结果表明:与圆柱孔和传统姊妹孔相比,改进姊妹孔形成了附加漩涡对,与反向漩涡对相互作用,抑制了冷却气流被反向漩涡对的抬升并且增强了冷却气流的扩散,提高了冷却气流的贴壁性,增大了冷却气流的展向扩展范围;与传统姊妹孔相比,在低吹风比条件下,改进姊妹孔提高了气膜冷却效率约(10~20)%,在高吹风比条件下,改进姊妹孔提高了气膜冷却效率约(20~35)%。

射流角度对姊妹孔气膜冷却效果影响实验研究

为了分析主孔与侧孔射流角度对逆向射流姊妹孔平板模型气膜冷却效率影响,采用压力敏感漆(PSP)技术对单孔顺流与5种姊妹孔在四种吹风比(BR)下的绝热气膜冷却效率进行研究。结果表明姊妹孔在所有吹风比下气膜冷却效果均优于单个圆孔正向射流。低吹风比(BR=0.5)时,姊妹孔气膜冷却效果相近,但顺流姊妹孔气膜冷却效果最佳;中吹风比(BR=1)、高吹风比(BR=1.5,2)下,侧孔顺流的逆向射流姊妹孔气膜冷却效果最佳,相比于单孔射流的面平均气膜冷却效率可提高366%,677%,727%。逆向射流可令姊妹孔获得更高的气膜覆盖率,具有复合角度的侧孔射流可在低、中吹风比下增加逆流姊妹孔的展向气膜覆盖率,但在高吹风比下,对姊妹孔下游流向气膜冷却效果产生较差影响。

基于结构参数分析的姊妹孔气膜冷却性能研究

以姊妹孔气膜冷却结构的偏转角度、倾斜角度和吹风比为因素,并以壁面平均气膜冷却效率为评价指标,应用田口方法设计了三因素五水平正交表,并结合数值计算对不同工况下的流场特征和冷却效率分布进行了分析。计算结果表明:高吹风比下姊妹孔冷却效率为常规圆柱孔冷却效率的165%~412.5%,正向10°偏转的姊妹孔冷却效率均大于负向10°偏转的姊妹孔冷却效率。参数化结果表明:吹风比为0.5、偏转角度为10°、倾斜角度为35°的结构表现出最佳冷却效果。

姊妹孔旋流气膜冷却的流动传热特性研究

为了研究旋流进气条件下姊妹孔副孔的排列方式和冲击孔角度在不同吹风比下对旋流气膜冷却效果的影响规律,采用旋流冷气腔,按上述两因素建立7个模型,并在6个吹风比下对各模型采用传质传热类比方式进行数值模拟计算。研究结果表明:在吹风比较小时,各模型冷气射流的贴壁性都较好,且各模型的冷却效率相差不大,但是随着吹风比的增大,各模型的冷却效率都有所下降;采用30°冲击孔针对姊妹孔副孔排列方式,两副孔轴线与主孔轴线距离L_(1),L_(2)均为0.75D的模型1在6个不同的吹风比下都能取到最高的面平均冷却效率;冲击孔角度对气膜冷却效果的影响在不同吹风比下存在较大差异,在吹风比M为0.3~1.0时采用30°与50°的冲击孔都能得到较好的冷却效果,但当吹风比增大到1.25~1.5时,采用30°冲击孔能获得更好的冷却效果。