文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123382
肋化内冷通道结构流动换热的尺度效应数值研究
刘春丽,张靖周,姚玉,徐虹艳
(南京航空航天大学能源与动力学院,南京 210016)
(Tel:**********,Email:cyt_111@)
摘要:针对涡轮叶片弦中区内冷通道内的肋化结构,采用数值模拟的方法,对肋化通道的流动换热特性和尺度效应进行研究,分析肋通道高度、肋高与肋通道高度比值、肋间距与肋高比值等参数对流动传热特性的影响规律。结果表明:在肋高与通道高度之比、肋间距与肋高之比和进出口压比一定的条件下,小高度通道内的肋化结构的传热强度略高于大高度通道内的肋化结构;在较小的肋高与通道高度之比下,通道高度的尺度效应更为显著。随着肋高与通道高度之比增加,流体在肋间形成的旋涡在通道高度上的覆盖区域增大,流线呈现明显的折曲,进出口压降显著提升。
关键词:肋化通道;对流传热强化;尺度效应;涡轮叶片;数值模拟
0 前言
现代航空发动机高温涡轮叶片普遍采用由内部冷却和外部冷却以及热障涂层防护组成的叶片冷却方案。内部冷却结构通常是对流、射流冲击和多程弯折带肋通道以及扰流柱冷却结构,外部冷却采用较多的是气膜冷却和热障涂层[1-2]。就涡轮叶片内冷通道而言,国内外众多研究人员对带肋通道的流动和传热特性进行了大量研究工作,较为系统地研究了肋的几何结构、S弯通道结构以及流动参数对流动阻力和壁面对流换热系数的影响[3-12]。与光滑通道相比,肋化通道一方面增强了流体的扰动,增加流体流动的湍流度及破坏壁面附近边界层的层流底层,另一方面增大了换热面积,因此强化了内冷通道的对流换热。尽管针对涡轮叶片内冷通道的肋化结构开展了大量的研究工作,但对于肋化通道的尺度效应却缺乏深入的研究,尤其是在微小型涡轮发动机涡轮叶片的冷却结构设计中,内冷通道的尺度效应是需要给予关注的。本文通过数值模拟的方法,对涡轮叶片弦中区带肋通道的流动换热特性和尺度效应进行研究。分析进出口压比、肋通道高度、肋高与肋通道高度比值、肋间距与肋高比值等参数对流动传热特性的影响规律。
1 计算模型
计算模型如图1所示。模型中的通道取自涡轮叶片的弦中区的某个径向通道,冷却气流从叶片根部进入,从叶片顶部流出(冷气流向为+z方向)。,,;肋高与肋通道高度的比值e/,;吸力面侧和压力面侧的肋片呈交错排布,如图2所示,肋间距与肋高的比值p/e取为6和8,,,。
图1 计算模型图
图2 肋化通道
,温度为700K;,,,。吸力面和压力面均设为恒热流边界,热流密度定为q=200000W/m2,其余固体表面设为绝热边界和无滑移速度条件。冷却气流视为可压理想气体,进口湍流度为5%。
2计算方法
本文采用Fluent分离隐式求解器进行稳态求解,选用RNG 双方程湍流模型加非平衡的壁面函数;各物理量的离散格式均为二阶迎风格式;压力速度耦合采用SIMPLEC算法,动量方程、能量方程和湍流方程都采用二阶迎风格式。能量方程残差小于10-6,其他方程残差小于10-4。求解过程中采用