平板气膜冷却换热效果的研究范文

《热能动力工程杂志》2014年第三期

1数值模型

1．1粗糙壁面方程与光滑壁面不同，在粗糙表面不能用普朗特相似准则将传热和流动简单类比。在叶片表面上，于作用在气流流动法向方向的的动压或静压使湍流切应力能够直接传递到粗糙元，即热量通过涡旋传递到粗糙元所在的表面，然后通过分子导热机理传到固体表面。本研究使用Viegas和Jayatilleke的模型［8］，将温度壁面分为两层:一层由导热占据主导地位，叫导热子层，呈线性分布形式，见式(1);另一层是湍流主导区域，这一层中湍流影响超过导热的影响，呈对数分布形式，见式(2)。当选择了流体介质后，计算出导热子层的厚度y*T，当无量纲距离y*＜y*T时，该区域属于导热壁面层，应用式(1);当y*＞y*T时，该区域属于湍流壁面层，应用式(2)。

1．2初始条件和边界条件试验段的尺寸如图1所示，流动通道为1000mm×250mm×80mm，圆柱气膜孔中心距离板前缘的距离为550mm，冷却孔直径为10mm，带有35°倾斜角，孔间距为40mm。其它实验条件如表1所示。粗糙度根据实验条件确定。根据Bons对多种在役陆地燃气轮机(重燃和工业机)涡轮叶片表面粗糙度的测量，得出真实叶片弦长b=2－20cm时，轮廓算数平均偏差Ra的最大值为21．1μm，而最小值为1μm，平均值约为5μm［9］。本实验研究对象的弦长为b=10cm，实验件的放大因子为10，因此实验件长为100cm。在实验件上分别铺设60号和100号的砂纸，其ks≈0．254－0．423mm，采用ks=7Ra的关联式，则实验件上对应的Ra=36．3－60．4μm。由于实验件放大因子为10，所以此实验件模拟的真实叶片上的粗糙度范围为Ra=3．63－6．04μm。这个粗糙值范围在文献［9］介绍的真实粗糙度范围内，与实际情况相符。

1．3网格划分与数值计算方法在Fluent软件平台上进行建模和计算。采用三维结构性网格，对冷却孔周围和壁面附近网格局部加密，总网格数1624800个。经过网格依赖性验证，此网格数目足够保证计算精度。网格偏率在0－0．4的网格超过99．8%。对主流雷诺数Re=106，吹风比M=0．5，主流湍流度Tu=1%，粗糙度ks=0的工况进行初步验证计算，壁面Y+值在30－60之间，符合标准壁面函数的要求，可以认为所画网格满足壁面函数要求。对各物理量采用二阶迎风格式进行离散;压力－速度耦合采用SIMPLEC算法，以便更快收敛;湍流模型采用标准k－ε模型，此模型对主流高雷诺数情况适用性好，但是对某些壁面区域的处理欠佳，因此对边界层内底层使用壁面函数求解，这种标准k－ε模型加壁面函数的方法被许多研究者应用并证明是有效而合理的;收敛标准为各项残差＜10－6。

1．4模型验证对雷诺数Re=106，吹风比M=0．5和1．0，主流湍流度Tu=1%，粗糙度ks=0工况的计算结果与文献［10］的实验结果相比较，如图2所示，计算结果与实验结果吻合较好，证明了所用模型的正确性。

2结果及讨论

2．1粗糙平板表面的气膜冷却换热系数分布图3中根据换热系数差异划分了5个区域，区域A是未受气膜冷却影响的上游，这个区域传热情况取决于主流的情况。区域B是两个相邻气膜孔之间的区域，除了高吹风比或者孔间距减小时，射流的阻塞作用使得主流在这一区域的加速度增加，否则射流会在这一区域缓和，此时这个区域的换热系数会增大，当然改变孔的出口形状可以使射流更好的扩散，也能改变这一区域的换热情况。区域C是紧邻射流孔的下游，这个区域的换热系数达到最小值，因为射流会在区域C形成一个滞止区域，喷气比越大，这个区域会越大。区域D位于射流孔的两翼，由于主流和射流在这个区域存在大的剪切应力并且形成漩涡从而使这一区域成为高的传热区。区域E也是高传热区，射流在小的吹风比下，依然附着在表面上这一区域。而高吹风比下，在E的下游还会由于气膜再次附着形成另一个高的传热区。

2．2粗糙度对气膜冷却有效度和平均换热系数的影响图4是Re=106、吹风比M=0．5工况不同表面粗糙度的平板实验件气膜冷却有效度沿流动方向的曲线(横坐标为流动距离X与孔径D的比值)。图4(a)可以看出，沿着流动方向气膜有效度逐渐降低。这是由于随着流动的发展，卷吸作用不断增强，主流热空气靠板，随后射流脱离壁面与主流掺混，射流瓦解，完全由主流支配，因此冷却效率逐渐下降。图4(b)为粗糙表面和光滑表面情况下气膜冷却有效度的比值，可以看出在X/D=3时，粗糙度对气膜有效度影响较大，这与文献［6］的实验结论一致，在X/D=6时粗糙度对气膜冷却有效度影响最小。在ks=0．8mm时，在平板末端粗糙表面平板比光滑平板气膜有效度下降了23%。在气膜冷却实验中，按惯例有两种数据整理方式:一种是按照冷却孔中心线整理数据，另一种按照冷却孔侧向整理数据。图4(c)为按照冷却孔侧向整理的气膜冷却有效度比值。可以发现，按照孔中心线整理数据按照侧向整理数据有明显的不同:粗糙度总体上降低了中心线处气膜有效度，却在绝大部分区域提高了侧向平均气膜有效度。图中显示，与光滑表面相比，粗糙度可使气膜有效度提高10%。图4(d)为粗糙度对表面换热系数的影响，粗糙表面比光滑表面换热系数最大可提高47%，可见在粗糙表面上由于粘滞作用对换热系数的影响很大。

2．3雷诺数对气膜冷却有效度和平均换热系数的影响从图5中可以看出，主流雷诺数对气膜冷却有效度的影响不明显，这与其它研究者的结论一致。虽然主流雷诺数对气膜冷却效率的影响不大，但其对传热的影响则不可以忽略，物体表面流体流动速度增大会加剧传热，如图6所示。从图6中可以看出，雷诺数对侧向平均换热系数影响很大，随着雷诺数的增加，侧向平均换热系数也增加。Re=2×106对传热系数的影响最大，使换热系数提高了4倍，这说明对流换热随着主流速度的提高迅速增大。而粗糙度的增加显然也扩大了主流雷诺数的影响，图6(a)和6(b)比较，粗糙条件下相同雷诺数的传热系数最大增加了36%，即粗糙度对雷诺数有协同作用。

2．4吹风比对气膜冷却有效度和平均换热系数的影响图7显示了在主流雷诺数Re=106，ks=0．254mm时，吹风比分别为0．5、1．0和1．5的工况下，侧向平均气膜冷却有效度η和换热系数h的分布情况。从图7(a)中可以看出，M=0．5时气膜孔附近的冷却效果最好，在X/D=0到10的区域内，其气膜冷却有效度随X/D的增加而缓慢减小，最后趋于稳定。随着吹风比越大，气膜冷却有效度下降的越迅速。M=1．0和1．5时，气膜冷却有效度先迅速下降至接近0，而在下游有微弱上升的趋势。这是因为随着吹风比的增大，射流动量增大，因此在孔口附近脱离壁面而在下游远处再附着，从而冷却孔附近的冷却效果不好，而下游却又轻微回升。从图7(b)中可以看出，在M=0．5时，其换热系数沿X/D的分布和2．1节的讨论的一致，这是由于图3中所示的C、D、E区的流场特点而导致的;但是，在M=1和1．5时，气膜孔出现了先下降再上升的趋势，这是由于强烈的漩涡导致的。不同于气膜冷却效率，粗糙高度对于吹风比之于换热系数的影响是显而易见的，ks=0时，M=1．5比M=0．5最大换热系数提高22%，而在ks=0．254mm时，这一值为30%，可见粗糙度在提高整体换热系数的同时，对吹风比具有协同作用。

3结论

(1)实验数据证明，Viegas－Jayatilleke模型可以应用于带有喷吹的湍流热边界层的计算。(2)中心线处气膜有效度和侧向平均气膜有效度存在一定差异，且在粗糙度的影响下，趋势不同:粗糙度总体上降低了中心线处气膜有效度，却在绝大部分区域提高了侧向平均气膜有效度。对气膜有效度的影响值不超过10%，但粗糙度对传热系数的影响很大，最大提高了接近50%。(3)主流雷诺数对无论是中心线处还是侧向平均的气膜有效度的影响都很小，可以忽略。但雷诺数越高，导致表面换热系数越高，粗糙的存在放大了主流雷诺数的影响，使换热系数最大增加36%，粗糙度和主流雷诺数对换热的影响存在协同效应。(4)吹风比对气膜冷却有效度和表面换热系数的影响显著，这是由于涡的强度增加，射流脱离表面导致气膜冷却效率沿流向迅速减小，表面粗糙的存在使得在远场下游吹风比的影响差异变小。

作者：王建飞吉雍彬臧述升单位：上海交通大学机械与动力工程学院动力机械与工程教育部重点实验室