气膜冷却均匀度评价指标论述

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1物理模型与数值计算方法

1．1物理模型

由于流动在垂直主流的Y方向(X、Y、Z方向符合右手螺旋法则)具有周期性的特点，因此采用周期性边界条件用一个孔模拟一排孔的效果。图1为不带复合角的示意图，为了研究复合角的影响，本文研究了30°、60°和90°复合角的情况，不同复合角的结构的俯视图如图2所示。

1．2边界条件

在该模型中有两个入口，一个是主流入口一个是射流入口。射流入口流体为冷却气体，0．5吹风比下速度为3．1m/s，1．0吹风比下速度为6．2m/s;主流入口流体为高温燃气，速度为80m/s，主流温度为500K，主流雷诺数ReD=25000，射流入口的湍流度为5%，水力直径为12mm，射流温度为300K;主流的湍流强度为5%，水力直径是23mm。认为出口处湍流流动已达充分发展状态，即各个变量的法向梯度为零，边界条件设为outflow。主流通道上壁面和射流通道下壁面以及固体平板的下表面均采用绝热无滑移边界条件;Y方向为0压力梯度，采用周期性边界条件。

1．3网格划分

采用分块结构化网格技术进行网格划分。将主流区域、射流通道和射流孔分割成各自独立的3个计算域，区域的交接处采用interface技术实现信息的交换。为了详细的捕捉气膜孔附近的流动信息，将主流通道划分成3块，交界面指定为interior，采用非均分网格技术将气膜孔附近区域加密，并对主流通道生成边界层网格，整个区域的网格数约为275×18×85。采用Fluent压力为基的隐式求解器进行稳态计算，压力速度耦合为SIMPLE算法，各物理量的离散采用二阶迎风格式。收敛的标准是判断各物理量的相对残差小于10×10－6。关于对网格无关性和计算方法准确性的验证，请参阅本文作者所发表的文章［5，10］。

2计算结果及分析

2．1CUC指标的局限性

当CUC=1．0时意味着ηCL=珔η，表明在横向上各个点的冷却效率值都是相等的，那么这种情况也就说明横向上的冷气膜是绝对均匀的［8］，关于不带复合角时冷却效率和CUC值的一致性可参看文献［3，8，9］。图4示出了吹风比为1．0时复合角为30°圆柱形孔的CUC值，从图中可以看出整个CUC值的分布没有规律性，甚至出现了负值，个别区域还出现了大于1的情况，这就说明CUC公式的定义有其不合理的地方。图5示出了吹风比为1．0复合角为30°圆柱形孔的η分布云图，从图中可以看出，沿着气膜孔下游的中心线处的冷却效率出现了或大或小的情况，就使得CUC值的大小也忽高忽低，而不是像没有复合角时，中心线的冷却效率一直是最大的情况。这也就说明，CUC值只能用于ηCL是横向上的最大值的情况，也就是仅适用于没有复合角的情况。

2．2不同复合角的结果

图6为4种不同的气膜孔结构在3种不同吹风比下的气膜冷却效率分布云图，从图中可以看出，增加复合角可以显著的改善气膜在横向的铺展程度，复合角越大，改善程度越明显，特别是在高吹风比下。对于不带复合角的结构(β=0°)，随着吹风比的增加，气膜对壁面的保护程度是降低的，这主要是由于气膜动量过大而脱离被冷却壁面的原因［10］，但增加复合角后，气膜冷却效率会随着吹风比的增加而增加。图7示出了M=0．5时各复合角的横向平均冷却效率η珔和不均匀度指数un值的大小，从图中可以看出M=0．5时，总体上带有复合角的冷却效率要好于没有复合角的情况，而带有复合角的3种结构的横向平均冷却效率值相差不大，0°复合角的η珔值最小;不均匀度指数越向下游越小，冷却效率值越向下游越低，也就说明了下游的均匀性是靠牺牲冷却效率为代价的，90°复合角在均匀性上有明显的优势，其均匀性从孔的下游开始到射流的末端都要好于其它复合角的均匀性，这是由于90°复合角的气膜覆盖的区域最大的缘故，30°复合角的不均匀性指数最大。还可以看出M=0．5时，增加复合角不一定就立刻可以提高气膜冷却的均匀度，30°的复合角的均匀度就不如0°复合角时的均匀度，而是在60°之后均匀度较没有复合角时要有所改善，90°时大大改善了均匀度，这是因为气膜在平板上的广泛铺展是靠主射流的交互作用才能实现，而复合角达到一定程度之后才可以保证气膜的广泛覆盖，才能很好的改善均匀性。图8示出了M=1．0时各复合角的横向平均冷却效率η珔和不均匀度指数un值的大小，由图中可以看出M=1．0时，高冷却效率覆盖的区域变大了，各种结构的η珔和un值都表现出了较大的差距。在冷却效率的角度上60°复合角在M=1．0时要好于M=0．5的情况，由云图也可以看出60°复合角在M=1．0时气膜在平板上铺展程度较开，所以与30°时相比在M=1．0时均匀性与冷却效率都较好。由于射流动量的增加，使得冷却气体的冷却能力向下游有所延伸，30°复合角的气膜孔的un值明显高于其它结构，说明30°时，虽然冷气的射流核心在横向上有了分量，但是并没有把冷气铺展开，造成在同一个x位置的横向上，各点的冷却效率值差别较大，也就是横向上所对应的温度梯度过大，这对于叶片的保护是不利的，因为过大的温度梯度会造成热应力。90°复合角的气膜孔在X/D＜8的区域不均匀性指数仍然较大，只是在下游区域，随着冷气和主流的掺混才使得均匀性有所提高。图9示出了M=1．5时各复合角的横向平均冷却效率η珔和不均匀度指数un值的大小，从图中可以看出M=1．5时，冷却效率的分布变得不再有规律性，30°复合角的冷却效率值是沿着流动方向增加的，60°和90°的复合角结构在气膜孔下游的6D和12D处分别出现了最大值，而0°复合角的结构由于射流动量较大而脱离壁面，只是在远离气膜孔处的位置由于射流本身的扩散作用才使得在16D后的位置效率有所增加。壁面被冷却的均匀程度在高吹风比时表现出了较好的效果，尤其是对于大复合角情况，这种现象在前面的云图中表现的更为明显。这主要是由于在大吹风比时，射流动量很大，同时又由于90°复合角的射流方向和主流方向垂直，就造成了剧烈的主流和射流的掺混，使得被冷却表面的冷气均匀地被铺展开。而较小的复合角无法达到改善均匀性的目的，这主要是由于主射流的交互作用不仅受到两股流体射流强度大小的影响，也受到两股流体流动方向的限制，小复合角时，两股流体流动近似平行，所以不能引起较强烈的掺混，只有当复合角达到一定程度时，均匀性才能得到较明显的改善。

3结论

本文在对现有的反映气膜冷却均匀程度指标CUC进行评价的基础之上，提出了新的反映气膜冷却均匀程度的评价指标un。通过对带有不同复合角的平板气膜冷却流场进行数值计算，得出的结论主要有:(1)CUC指标仅在没有复合角的情况下可以正确表达气膜冷却效率的均匀性，在有复合角时，CUC的值出现负值，失去了它的意义;(2)基于均方差的思想所提出的un指标能够很合理地反映带有复合角射流的气膜冷却效果的均匀程度，克服了传统的CUC指标的局限性，而且un指标能够和传统的横向平均冷却效率指标保持较好的一致性;(3)在考虑均匀性的前提下，发现复合角对气膜冷却效果的影响程度不是单调的，即随着复合角的增加，冷却效率是增加的，但30°复合角的均匀性却是最低的。所以，在考虑均匀性后，小复合角射流并没有明显的冷却优势，90°复合角在高吹风比时有最佳的均匀性和最大的气膜冷却效率。

作者：章大海 任彬 刘崧 单位：中国石油大学(华东)化学工程学院 青岛市质量技术监督局经济技术开发区分局