开孔形状对新型迷宫复合冷却结构冷却效率的影响

开孔形状对新型迷宫复合冷却结构冷却效率的影响

随着发动机前空气温度的增加，燃烧灼烧液的工作环境极其恶劣。气膜冷却技术是对燃烧室进行冷却保护的重要技术。Mayle等人和Bazdid-Tehran等人研究了全覆盖多排孔气膜冷却的冷却效率和换热规律。李军等人和林宇震等人分别对多斜孔壁气膜冷却中冷却壁表面和小孔内的对流换热系数分布进行了试验研究,以上研究都是针对圆柱形孔且试验件是单层板。Goldstein等人曾对几种不同形状喷孔的气膜冷却效率进行了测量。朱惠人等人针对单排气膜孔形状对孔排下游的冷却影响作了详细的研究,但研究对象是单层板且气膜孔是单排的。目前将气膜孔形状的研究应用到多排气膜孔及多层壁复合冷却结构上的很少。近年来,由于高性能发动机研制的需要,各种新型的冷却结构形式不断出现,燃烧室迷宫复合冷却结构是一种集冲击、对流换热和近似发散冷却于一身,结构合理,冷却效率高,具有创新性的新型冷却结构。本文主要研究了迷宫复合冷却结构外侧壁三排气膜冷却孔形状对其冷却效率的影响,并针对外侧壁冷却孔流量系数对席壁热侧面冷却效率的影响进行了研究。冷却效率的定义式为η=Tg−TwTg−Tcη=Τg-ΤwΤg-Τc式中:Tg为燃气(主流)温度;Tw为层板热侧壁温;Tc为冷气(次流)温度。流量系数的定义式为Cd=m2/m1Cd=m2/m1式中:m2和m1分别为通过气膜孔的实际二次流流量与在同样压差下的理想二次流流量。1计算值的方法1.1由带孔的孔型设计迷宫复合冷却结构火焰筒是由某型航空发动机五段气膜冷却火焰筒改造而成的,每段沿周向均匀分布三块瓦块,整个火焰筒由十五块瓦块构成,每块瓦块由三层壁面(即外侧壁、中间壁和内侧席壁)组成,如图1所示。二股通道的冷却空气首先流过瓦块式迷宫冷却结构的外侧壁,对外侧壁面进行对流换热,然后从壁面后部的三排进气孔进入上冷却通道,直接冲击到中间壁上,对中间壁有很强的冲击冷却换热作用;然后,该冷却空气沿着上冷却通道向前流动,与中间壁上壁面和外侧壁内壁面都有对流换热作用;其后通过中间壁前部的槽缝向下流入下冷却通道,对席壁的前部有冲击冷却作用;最后沿下冷却通道一边向后流动与席壁上表面和中间壁下表面进行对流换热,一边经席壁编织过程中形成的小孔在席壁的外表面形成一层均匀的气毯,对外侧席壁进行保护。由于结构关于XZ平面对称,故仅取其一半采用对称边界条件进行计算。外侧壁上3种孔型如图2所示。簸箕形孔和圆锥形孔均在圆柱形孔的基础上加工而成,圆锥形孔孔口张角为30°,簸箕形孔四面与轴线夹角为15°。各种孔型圆柱部分直径D=2.3mm,三排孔孔排距为4mm,孔间距为6mm,采用叉排排列。考虑到席壁编织过程所形成的小孔与平板多排气膜孔之间冷却效果相同(席壁热伸展性更好),将席壁结构简化成平板多排气膜孔。1.2瓦块式结构通道外侧壁二次流通道和内侧壁主流通道进口为速度进口边界,次流、主流通道进口速度分别设为4m/s和2.1m/s,进口湍流度设为1%,总温分别为610K和1288K。瓦块式迷宫复合冷却结构通道出口为压力出口边界。进口段壁面以及内部流动通道壁面均给定为无滑移和无渗透的物面边界条件,近壁区网格采用壁面函数法。对称壁面为对称边界条件。1.3湍流模型及模型模型采用直角坐标系下的三维稳态不可压N-S雷诺时均湍流方程描述,湍流模型采用realizable-ε湍流模型。N-S雷诺时均湍流方程应用Fluent的分离隐式稳态求解器求解,压力修正采用SIMPLE算法,各参数的离散采用二阶迎风格式,亚松弛求解直到收敛。2计算与分析2.1外侧壁开孔形状对孔排下游冷却效率的影响次流由外侧壁三排冷却孔流入上冷却通道时,冷气温度较低,冷却潜力较大。图3显示了外侧壁冷却孔分别为圆锥形孔(图3(a)),簸箕形孔(图3(b))和圆柱形孔(图3(c))时外侧壁热侧面的温度分布。可以看出,相对于中间层和席壁层,3种孔型外侧壁热侧面整体温度都较低,中间气膜孔出口附近是低温区,且其左侧(中间壁槽缝附近)温度较右侧温度低。带有扩张形出口的簸箕形孔和圆锥形孔,其出流的气体在出流口两侧覆盖的区域明显大于圆柱形孔,冷却效果也优于圆柱形孔。出流口附近,簸箕形孔温度最低,为674K;圆锥形孔次之,为676.7K;圆柱形孔温度最高,为683.6K。外侧壁冷却孔为簸箕形孔和圆锥形孔时,外侧壁热侧面的温度分布比较类似,平均温度比圆柱形孔低,分别为786.1K和783.1K,而圆柱形孔为803.7K。图4给出了外侧壁开孔形状不同时外侧壁热侧面冷却效率的比较。可以看出,在气膜孔孔口附近,冷却效率达到最大值,并且簸箕形孔排最大,圆锥形孔排次之,圆柱形孔排最小。这是因为簸箕形孔和圆锥形孔的出口是扩张形的,且簸箕形孔出口扩张的程度比圆锥形孔更大,这使得二次流出流后附着在孔口下缘附近的冷气数量,簸箕形孔排最多,圆锥形孔排次之,圆柱形孔排最小,对壁面的保护作用和冷气的冷却效率也依次降低。气流出流后沿流向,圆锥形孔排的冷却效率最高,簸箕形孔排次之,圆柱形孔排最小,这是因为从圆柱形孔排喷出的气流更容易穿越边界层而脱离壁面,贴附性能较差;相对圆锥形孔,簸箕形孔的扩散作用强,导致气流更容易与主流掺混而使冷却效果降低。图5给出了气膜孔形状对孔排下游冷却效率影响的实验结果,实验数据来源于文献。实验中,3种孔型圆柱部分直径D=20mm,孔间距为4.5D,5个气膜孔的孔排排布在单层实验件的中央,主、次流温度差为20K。从图中可以看出,计算结果相对实验数据数值偏高,这是因为相对于单层单排气膜孔冷却结构,迷宫冷却结构冷却效率较高,而且外侧壁采用三排气膜冷却孔,孔径及孔间距较小,气流出流后能更好地附着在孔口下缘的表面上,冷却效果更好。尽管实验条件与本算例的计算条件相差比较大,但气膜孔形状对孔排下游冷却规律影响的一致性,在一定程度上旁证了计算结果的可信程度。流量系数是另一个重要的气膜冷却性能参数。并且迷宫冷却结构外侧壁冷却孔流量系数的大小对中间壁热侧面和席壁热侧面的冷却效率的好坏有较大的影响。由于各算例中气流速度不高,可以按不可压流来处理,所以取m1=A22ρ2(Pin−Pout)−−−−−−−−−−−−√m1=A22ρ2(Ρin-Ρout)式中:ρ2为外侧壁冷却孔的气体密度;A2为外侧壁三排冷却孔总横截面积;Pin和Pout分别为冷却孔进、出气口的静压。m2取外侧壁三排冷却孔的实际流量,均为0.0076kg/s。经计算,外侧壁冷却孔为簸箕形孔时流量系数最大,为0.406;圆锥形孔次之,为0.395;圆柱形孔最小,为0.329。这是因为簸箕形孔和圆锥形孔的扩张形开口,能增加二次流的出流面积,使其流动更为畅通,它们的流量系数也就比圆柱形孔的大。本算例中,圆锥形孔在垂直流向方向的扩张度不及簸箕形孔,所以流量系数比簸箕形孔的小。2.2冲击、对流冷却作用图6给出了冷气由中间壁前部的槽缝向下流入下冷却通道后,3种孔型对中间壁热侧面冷却效率影响的比较。很明显,x=0处(即槽缝出口),冷却效率最高,然后沿流向在一区迅速下降,这是因为气流流出槽缝对席壁上表面有较强的冲击、对流冷却作用,冷却效率较高;二区冷却效率下降平缓,这是因为冷却气流已经趋于平稳,冲击换热作用一般;三区冷却效率有小幅度上升,这是因为此处中间层上表面正对着外侧壁气膜孔出流口,从外侧壁气膜孔出流的冷流对中间壁上表面有较强的冲击、对流换热作用,由于中间层金属传热作用,导致该区冷却效率有所上升;四区冷却效率迅速下降,这是因为此处下方正位于席壁边缘,席壁热侧面气膜保护作用不强,冷却效率较差。下冷却通道高度仅为1.5mm,通道内流速较快,从上冷却通道通过槽缝流出的冷却气流的温度高低直接影响着中间壁热侧面冷却效率的好坏,故外侧壁冷却孔为圆锥形孔时,中间壁热侧面冷却效率最好,簸箕形孔次之,圆柱形孔最差。2.3外侧壁冷却孔的影响冷气从下冷却通道流出席壁编织孔形成均匀的气毯,将燃气与壁面隔开,对壁面进行保护。图7给出了外侧壁3种孔型对席壁热侧面冷却效率影响的比较。可以看出,在席壁第一排气膜孔(即x=0.006m)之前,冷却效率上升较快,这是因为冷却气流从席壁第一排气膜孔出流后形成气膜,冷流温度较低,冷却效果较好;外侧壁冷却孔为簸箕形孔时,席壁热侧面冷却效率最好,圆锥形孔次之,圆柱形孔最差。这是因为外侧壁流量系数较大的孔型,冷流的流动更为顺畅,在席壁热侧面形成的气毯贴附壁面将高温燃气与壁面隔开的能力增强,射流能从壁面带走更多高温燃气对壁面的辐射能。可见,在相同进口条件下,席壁热侧面的冷却效率与外侧壁气膜孔的流量系数正相关;外侧壁冷却孔为圆柱形孔时,在席壁热侧面靠近出口附近冷却效率反而下降。这是因为圆柱形孔流量系数较小,在席壁热侧面形成的气毯较薄弱,在靠近燃气主流出口的最后一排气膜孔处所形成的气膜无法完全覆盖席壁边缘区域,导致此处温度偏高,并通过席壁层热传导使得席壁热侧面靠近主流出