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:123038
阶梯型多斜孔壁流动与
换热特性数值分析
赵旭洋,张勃,吉洪湖
(南京航空航天大学能源与动力学院南京 210016)
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摘要:本文数值模拟研究了直孔多斜孔与阶梯孔多斜孔的传热与流动特性,研究表明,在相同进出口条件下,阶梯孔多斜孔壁由于强化了壁面内部小孔的对流换热,有效减小了壁面径向、周向温度梯度,降低了热侧面壁面温度。同时,孔径的变化一定程度上加大了孔内流动阻力,减小了冷却气流量。
关键词多斜孔壁;阶梯孔;换热系数;强化换热
0引言
随着现代航空燃气涡轮发动机整体性能的不断提升,涡轮进口温度越来越高,使得燃烧室热负荷大大增加[1-3]。由于耐热合金冶金等领域无法满足燃气涡轮发动机设计师的要求,航空发动机中使用的高温部件材料许用温度却一般限制在1100~1300K以下。为了保证发动机的正常运行,需要发展先进的冷却技术来适应未来发动机对燃烧室的冷却的要求。
现代航空燃气涡轮发动机燃烧室的冷却结构多采用复合冷却技术,多斜孔冷却结构就是其中的一种先进冷却方式,在火焰筒壁热侧布置密集分布的离散孔,形成完整的气膜覆盖,将壁面与热燃气有效隔离,起到良好的冷却效果。胡娅萍[4]等人研究了不同多斜孔布置参数对其流动与换热特性的影响规律。Myers[5]等人指出多斜孔壁结构增大了气流与壁面的对流换热,其与冲击方式联合使用可以更加增强换热冷却效果。陈焱[7]等人的研究则发现长菱形排布的多斜孔结构换热效果好于正菱形排布。张勃[8]等人进一步在多斜孔壁基础上引入冲击,形成冲击多斜孔壁复合冷却结构,研究了冲击孔壁与多斜孔壁开孔面积比对冷却特性的影响,冲击多斜孔壁加强了冷却效果,但同时结构复杂程度提高,重量增加。本文试图在去除冲击壁的条件下,通过引入阶梯孔结构,将冲击冷却引入多斜孔壁,借以强化多斜孔壁内部对流换热,同时简化结构的目的。
1 物理模型
本文设计了传统等径多斜孔模型A(),如图1所示,和阶梯孔多斜孔壁模型B(当量开孔面积与模型A相同), mm, mm
图1 模型A孔型结构示意图
图2 模型B孔型结构示意图
模型B计算域如图3所示,多斜孔壁长度140mm,,,大小斜孔的高度比为1/2,主流通道高度42mm,。模型A的孔排布规律与模型B相同,图4给出了模型B的C向视图,可以看出,多斜孔孔间距P=,孔排距S=,孔倾角=。
图3模型结构示意图
图4 B向孔排布情况
2 边界条件和数值计算方法
两个模型在相同的边界条件下进行计算,主流和次流均为压力进口,主流进口总压为Pt=,总温Tt=1950K;次流进口总压为Pt=,总温Tt=860K。主流出口压力为Ps=,次流出口压力为Ps=。计算域前后表面均设置为周期边界,壁面上下游两个端面为绝热面。
图5 模型网格示意图
模型采用结构化网格划分,图5给出了模型B过阶梯孔截面的流体域网格示意图,在多斜孔内采用平行分布的六面体网格,在冷侧、热侧以及斜孔内壁