倾斜单孔射流轨迹与速度分布的研究

夏前锦，杨爱玲，戴 韧

(上海理工大学 能源与动力工程学院，上海200093)

1 引言

气膜冷却已经成为现代燃气轮机高温部件的重要冷却措施。它是指在高温壁面附近沿壁面切线方向或用一定的入射角度射入一股冷却气流，用以将高温燃气与壁面隔离的一类防护性冷却方式[1]。当冷却空气沿给定方向喷至叶片或火焰筒壁面后，将附着在壁面上并形成一层气膜。该气膜对火焰筒壁或叶片壁面所起的热防护作用主要体现在两方面：一是将高温燃气与壁面隔开，避免高温燃气直接对壁面进行对流换热，起隔热作用；二是在气膜形成的大部分区域里，将高温燃气与发亮火焰的热辐射热量从壁面带走一部分，起冷却作用[2]。自从Wieghardt在1943年发表第一篇对气膜冷却的研究论文[3]开始，几十年来，无数科研工作者对气膜冷却研究投入了大量的精力，取得了丰硕的研究成果。对气膜冷却的研究大致可分为两类：第一类是对不同气膜孔孔型的研究；第二类是对相同孔型条件下不同流动状态的研究。前者自Wieghardt的切线缝模型始，到目前的成型孔、圆锥型孔、出口扩张孔[3]止，可以说国内外专业人员对气膜孔孔型的研究已相当深入，所获得的研究成果也非常详尽成熟。但大多数已发表文章的着眼点或是气膜冷却的换热效率或是气膜冷却的损失系数，对流动结构特别是孔口及其下游速度分布的研究相对较少。本文从单孔射流的流场结构入手，通过分析流场不同位置的气流轨迹和速度分布来阐述气膜冷却的作用机理。

2 实验装置及实验数据处理

2.1 实验装置

实验系统分为实验台和测试系统两部分。图1、图2分别为本文实验台的示意图和照片，实验台主要包括主流流道和射流流道。主流流动通过集流器段、主流测试段、前软接头段、扩压段、后软接头段、大功率风机串接而成的主流流道实现。射流流道由高压气源、稳压箱、射流引流段组成，主要用于提供二次流射流工质，其中稳压箱起降压稳流的作用。主流测试段是225 mm×225 mm的正方形腔室，射流引流段为一100 mm×100 mm的正方形腔。射流孔为一倾斜圆柱孔，孔径D为20 mm，孔长L为80 mm。射流出流角α为 30°，射流方位角β为 0°(如图3所示)。α定义为射流孔中心线在x-z平面的投影同x轴的夹角；β定义为射流孔中心线在x-y平面的投影同x轴的夹角。

图1 实验台示意图Fig.1 Sketch of test section

图2 实验台架Fig.2 Photo of test section

图3 射流结构方位示意图Fig.3 Structure of inject hole

实验采用PIV系统进行数据采集。将甘油雾化粒子作为实验的示踪粒子注入稳压腔中与引自高压气源的压缩空气掺混，然后引入主流测试段进行实验。实验的测试平面为垂直于y轴的P0、P1、P2、P3四个平面，如图4所示，这四个平面与x-z平面的垂直距离分别为0、1/8、2/8和3/8倍射流孔径，图中y0、y1、y2和y3为本文设置的四个流动轨迹起始点。

图4 测试平面示意图Fig.4 Sketch of the test plane

2.2 实验数据处理

实验主流通道内流速固定为8 m/s，实验时大气平均密度为1.247kg/m3，主流腔室压力设定在-42.92 Pa。实验时，通过控制射流进口处流量计的大小调节射流流量来获得不同的实验吹风比(MR)，即射流质量流量(ρ2v2)与主流质量流量(ρ1v1)之比。由于甘油雾化气体温度较高，使得混合后的射流气体密度ρ2小于主流气体密度 ρ1，经测量 ρ2=0.93ρ1。

本文使用PIV系统的控制软件INSIGHT 3G［5］对射流照片进行数据处理分析，得到射流流场的流动轨迹和速度分布数据。通过与该软件配套的Tecplot软件得到时均流场速度参数后，在各测试平面可生成一条经过其迹线起始点的流动轨迹线。这样处理有两个原因：一是因为此时均流场由三十多对速度矢量图做平均后获得，其稳定性能够得到保证，而在定常流场中，其流线与迹线位置重合，即在迹线起始点捕捉到的流线即为通过该点的质点的轨迹线；二是将y0、y1、y2、y3作为迹线起始点来捕捉射流轨迹，是因为这些位置点受流动状况复杂的前缘和后缘点的影响较小，能够更真实地反应流动状况。

由于本实验为圆柱孔射流且射流方位角β=0°，故射流流场关于y=0平面对称。因此，研究此流场只需选取流场的一半作为研究对象即可(本文选择y轴正向)。获得实验流场数据后，在每个测试平面上沿流向设置6个数据采集位置，分别在x/D=1、2、3、4、5、6 处。

3 实验结果分析

图5 不同吹风比时各位置的射流轨迹(实验)Fig.5 Flow locus at different MR(test)

图5 为流体质点经过 y0、y1、y2、y3的运动轨迹。图中纵坐标z/D为射流在z方向的无量纲高度。从图中可以看到，随着MR的增加，射流的迹线位置逐渐增高。在x/D=1处，除了MR=0.5时各个截面迹线位置较低(0.40左右)外，其它三种MR下迹线高度相差不大，都处于0.45上下。这是由于x/D=1位置在射流口边缘处，射流在高度方向上还不能得到充分发展，而在MR=0.5时由于射流流速较低，易受主流影响，所以相对其它三种MR，其在x/D=1处的射流位置较低。另外，随着MR的增加，射流迹线高度最高的y0和最低的y3的差距逐渐减少，甚至在MR=1.5和MR=2.0时都出现了y3的轨迹高度高于其它起始点的情况。这说明随着MR的增加，射流的紊动程度也随之增加。从图中还可以看出，随MR的增加，射流轨迹线在主流方向上的偏转逐渐减小，这表明在MR逐渐变大的条件下主流对射流各测试平面的抑制作用逐渐降低，气膜贴壁性下降。

图6为实验获得的x方向速度分量u的沿程分布。从图6(a)中可以看出，不同测量平面的速度大小并不一致，即射流孔下游的u值分布在y方向上有差异，且距射流中心线越近的截面，其上的u值越小；另外，在x/D=1处u值的差异较大，而x/D=6处的差异较小，这是由于射流在x/D=1处受主流的影响程度较弱，而在x/D=6处射流与主流已较充分掺混，掺混后的速度分布逐渐趋于一致。随着MR的增加(见图6(b)～图6(d))，其u值的分布趋势与MR=0.5的基本相同，但不同测量平面上u值的差异逐渐减小。而如表1中所示，各个迹线起始点位置的绝对速度相差并不像u值的差距那样明显，导致这种情况的原因主要有两点：一是距离射流孔中心线较近的y0、y1点，由于远离射流孔的前后缘，其所在位置周围的速度较大，因此这两个位置抵抗主流影响的能力较其它两个位置更强，故其z方向的分速度较高，导致其在x方向的速度分量较低，这也从一个侧面说明为什么出口宽度更均匀的成型孔射流比圆柱孔射流有着更高的扩散系数[4]，因为这种孔型有助于射流保持较高的z向分速度；二是小孔射流孔后的速度分布与圆柱扰流的类似，射流一方面在主流流场中与主流互相掺混，另一方面又起着类似障碍物的作用，影响主流运动，所以在尾迹区，P0平面的u值较P3平面的小。

4 数值模拟分析

计算模型采用三维建模软件UG NX 5.0构建，其几何尺寸与实验模型完全相同。采用Gambit软件做模型网格划分，主流测试段和射流引流段使用结构化网格，而射流孔内由于结构不规则，采用非结构化网格；主流流道下壁面做了附面层网格处理，并且对射流孔出口附近的网格进行了加密处理。主流流道、射流引流段、射流孔内的网格数分别为38万、8万和13万。具体的网格分布如图7所示。

图6 不同吹风比时x方向速度分量u的沿程分布(实验)Fig.6 Variation of u for different x/D at different MR(test)

表1 实验时不同工况下迹线起始点处的速度Table 1 The velocity of y0，y1，y2，y3(test)

主流进口(inlet01)边界条件设置为压力(总压)进口边界条件，射流进口(inlet02)设置为质量流量进口边界条件，出口(outlet)设置为压力出口条件。湍流模型选择Spalart-Allmaras模型。具体的各射流工况的边界条件设置如表2所示。

图7 数值模型整体网格图Fig.7 Computation grid

表2 模拟时不同射流工况的边界条件设置Table 2 Boundary conditions for simulation

数值方法获得的距射流孔前缘不同位置的轨迹如图8所示。从模拟结果看，其射流轨迹的趋势与实验结果非常吻合，但是其高度值较实验值低，轨迹线也比实验轨迹线平缓。另外，由于计算模拟的流场为严格的定常流场，故射流的稳定性比实验结果好，且不同截面的射流轨迹区分明显。

图8 不同吹风比时各位置的射流轨迹(数值模拟)Fig.8 Flow locus at different MR(simulation)

表3 模拟时不同工况下迹线起始点的速度Table 3 The velocity of y0，y1，y2，y3(simulation)

图9为模拟所得到的x方向速度分量u的沿程分布，结合表3同样可以发现前文所述现象，其基本趋势和同一位置点各测试平面上的u的相对大小与实验结果大致相同，都是在P0面上u最低，在P3面上u最高。通过模拟，进一步验证了实验结果的可信性。由表3中还可以看出，射流速度明显有从孔中心

向外壁区域逐渐升高的趋势，这与射流中心速度高而边缘速度低的自由射流完全不同。

图9 不同吹风比时x方向速度分量u的沿程分布(数值模拟)Fig.9 Variation of u for different x/D at different MR(simulation)

5 结论

(1)随着吹风比的增加，同一吹风比下不同截面上的射流高度的差异逐渐变小。

(2)圆柱形射流孔后流场的速度分布并不类似于自由淹没射流，其速度分布呈现出射流边缘高、射流中心低的特点。

(3)综合本文的实验及模拟结果，可以认为单孔射流流场在孔后的速度分布类似于圆柱扰流流场在圆柱后的速度分布。

[1]葛绍岩，刘登瀛，徐靖中，等.气膜冷却[M].北京：科学出版社，1985.

[2]韩介勤.燃气轮机传热和冷却技术[M].西安：西安交通大学出版社，2005.

[3]Sargison J E.Development of a Novel Film Cooling Hole Geometry[D].United Kingdom：University of Oxford Department of Engineering Science，2001.

[4]Gritsch M.，Saumweber C，Schulz A，et al.Effect of Internal Coolant Crossflow Orientation on the Discharge Coefficient of Shaped Film-Cooling Holes[J].Journal of Turbomachinery，2000，122(1)：146—152.

[5]INSIGHT 3GTM User’s Guide[M].Revision G.2008.