基于切向喷射的气膜冷却参与组织高效流动的机理研究

Film cooling is one of the major technologies widely used for turbine cooling allowing today's gas turbine to obtain increasingly high turbine firing temperatures, subsequent high efficiencies,and longer life. Film cooling has excellent cooling effect, but the coolant jet's normal momentum breaks the original efficient aerodynamic boundary and lead to complex mixing between coolant jet and mainstream, reducing the aerodynamic performance. A tangential film cooling structure based on integrated geometry design idea is put forward in this issue,and a series of fundamental research are carried out. Specific content includes: mechanism research on how tangential coolant jet flows along the wall and its interaction with mainstream. Giveing out the mathematical relationship between tangential film coolant jet structure parameters and the evaluation model of cooling effects and mixing loss. Establishing the basic method to mirror the characters of flowfield and local flowfield evaluation model based on key flowfield parameters. The project aims to provide theoretical basis and technological foundation for coolant jet involving in organizing efficient flow.

气膜冷却作为主要的冷却技术为被广泛用于涡轮冷却，使涡轮能够承受越来越高的涡前轮前温度以满足高性能需求，并维持长寿命。虽然气膜冷却具有极好的冷却效果，但冷气射流固有的法向动量造成高效气动边界的破坏，并引起复杂的冷气射流与主流掺混作用，降低气动性能。本课题基于几何一体化设计思想提出切向气膜冷却结构，并进行一系列基础研究。具体内容包括：切向冷气射流附壁流动及与主流相互作用机理；建立切向气膜冷却结构参数与冷却效果和掺混损失评价模型之间的数学关系；建立流场信息捕捉的基本方法及基于关键流场参数的局部流场评价数学模型。本项目旨在通过这些基础科学问题的研究，为冷气射流参与组织高效流动提供理论依据，奠定技术基础。

气膜冷却作为主要的冷却技术为被广泛用于涡轮冷却，使涡轮能够承受越来越高的涡前轮前温度以满足高性能需求，并维持长寿命。虽然气膜冷却具有极好的冷却效果，但冷气射流固有的法向动量造成高效气动边界的破坏，并引起复杂的冷气射流与主流掺混作用，降低气动性能。本课题基于几何一体化设计思想提出切向气膜冷却结构，并进行一系列基础研究，总的来说，研究表明切向冷却射流结构是切实可行的，可以很好地在保证冷却效果情况下参与组织高效流动。为了实现项目的研究目标，项目执行过程中具体的研究内容及成果包括：建立了复杂冷却结构参数化及复杂流域网格自动化生成平台，开发了通用二维分块结构化网格与气冷叶片部分结构的气动/耦合传热分块结构化网格的生成程序，网格自动生成程序与参数化方法相结合，能够对叶栅流道与一些冷却结构做高速度、高质量的计算网格自动生成，从而降低网格生成的难度，提高设计的自动化程度；开发了具有高精细流场结构捕捉能力的CFD程序，可对三维可压缩Navier-Stokes方程进行求解，能够进行定常和非定常的计算，求解器目前经过多个经典算例的校核，结果表明程序具有较宽的适用范围，并且具有对复杂问题的模拟能力；建立冷气喷射条件下的冷却效果和掺混损失评价模型，研究了湍流模型、多组分、热辐射、壁面传热条件对气膜冷却效果评估的精度，基于Denton的熵增方式建立消散函数评估冷气掺混损失的方法，建立组分流管法处理损失沿叶高分布；详细研究了切向射流附壁流动流场结构及冷却效果，建立切向冷却结构的成型方法，通过多方案计算分析表明切向射流可减弱常规气膜射流法向动量掺混，其射流结构没有肾形涡对，在一定角度下，冷气射流可很好地覆盖反曲率区域，实现这一区域的良好冷却效果，后续还将进一步开展相关工作。此外研究了激波与射流的干扰流动，在激波前后不同位置布置射流孔，详细分析了激波和射流漩涡结构的变化。基于以上研究，将相关成果应用于某型气冷涡轮优化设计，使得气动效率提高0.35%，同时反映叶片工作时温度场最恶劣区域(包括最高温度和面积)的最大降幅为45.71%。