发汗冷却数值模拟方法及在涡轮叶片中的应用

作     者：付祥卿 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：韩万金

授予年度：2021年

学科分类：080704[工学-流体机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：发汗冷却 多孔介质 局部热非平衡 流动传热 

摘      要：现代先进燃气轮机对功率和效率要求的进一步提升,使得燃气轮机部件热环境更加恶劣,因此亟待高性能的冷却技术出现。外部冷却(对流冷却、气膜冷却、发汗冷却)作为燃气轮机高温部件的重要冷却方式,因其良好的冷却性能被广泛应用在涡轮叶片表面。发汗冷却作为未来先进燃气轮机采用的更为有效的主动热防护冷却方式,结合气膜冷却方式的优点和多孔介质材料特性,均匀分散冷却流体出流,利用多孔介质较大的比表面积和内部体积提供充分的换热空间,有利于实现大面积且可重复使用的热防护,并且可以将承热部分的冷却结构和承力结构分开,承受一定力量冲击。本文以发汗冷却为主要研究对象,利用实验数据验证局部热非平衡模型的准确性,在局部热非平衡模型下,对多孔介质受限层流冲击射流流动换热性质进行研究、采用Realizable k-ε湍流模型对简化的平板发汗冷却的冷却效率进行研究,并在k-ω-SST湍流模型下对气冷涡轮叶片表面应用发汗冷却的冷却效率进行研究。首先针对受限平板冲击射流冲击多孔介质平板,探究了局部热非平衡模型模拟多孔介质中流动传热的准确性,分析了改变入口Re数、Da数、多孔介质材料孔隙率以及多孔介质平板厚度对流动换热的影响。模拟结果表明:局部热非平衡模型在对平板冲击射流模拟中,在冲击滞止区域对传热模拟准确度比局部热平衡模型好一些。铺入多孔介质可以有效改善通道内流动结构,增大入口Re数、Da数更大更有利于滞止区域流动换热,孔隙率对通道内流动换热影响不明显。然后在平板气膜冷却的气膜孔表面覆盖多孔介质,利用局部热非平衡模型探究平板发汗冷却流动传热情况。模拟结果表明:在靠近气膜孔下游,局部热非平衡模型对平板发汗冷却的冷却效率和摩擦系数的模拟结果比局部热平衡模型效果更明显。并用局部热非平衡模型探究了平板气膜冷却和在气孔表面平铺多孔介质的发汗冷却的冷却效率差异,改变吹风比、孔隙率、Da数对发汗冷却流动换热的影响。发汗冷却相对于气膜冷却,有抑制抬升、平均冷却气流的作用,有效的提高了冷却效率,且随着孔隙率的减小、Da数的减小对发汗冷却效率略有提升。最后基于平板发汗冷却的研究结果,利用局部热非平衡模型对GE-E涡轮叶片表面平铺多孔介质的发汗冷却换热情况进行模拟,并与气膜冷却换热情况进行对比。模拟结果表明:使用发汗冷却的涡轮叶片比气冷涡轮叶片更有效的抑制了冷却剂的抬升,冷却剂在气孔两侧及下游延展,增大了冷却气膜面积,强化了冷却效果。改变吹风比,发汗冷却随着吹风比增大而增大,气膜冷却随着吹风比增大先增大后减小。相同吹风比下,发汗冷却的冷却效率和冷却面积要比气膜冷却大。孔隙率减小对涡轮叶片发汗冷却效果有改善。