对层板冷却效率随主流流动方向变化的数值研究

聂建豪，朱惠人，任战鹏

（西北工业大学动力与能源学院，陕西 西安 710072）

0 引言

综合成本和冷却效率等各种因素，层板冷却结构在航空发动机各种冷却技术中具有极大的优势［1-2］。层板集冲击冷却、扰流柱扰流和气膜冷却等冷却手段于一身，不仅冷气用量少，而且其冷却效率高，接近发散冷却。郁新华和全栋梁等研究了扰流柱排布、开孔率、层板层数和层板加工工艺对层板流阻特性的影响，以及吹风比对不同层板换热特性的影响［3-4］。陶智等研究了吹风比对层板冷却的影响［5］。目前，公开发表的论文对层板换热的研究基本上关注于二次流，而关于主流对层板的影响予以忽略，但是主流状态的改变会对层板的换热造成影响，所以，研究主流对层板换热的影响，有助于深入了解层板冷却机制，因此，针对主流对层板冷却效率的影响进行了流固耦合模拟，计算结果与实验数据进行对比，数值模拟结果和实验数据的最大相对误差为4.99%。同时，对层板和全气膜冷却结构进行对比，结果显示层板冷却效率高于全气膜冷却结构。

1 数值计算

1.1 几何模型

层板几何参数包括冲击孔直径D=1mm；气膜孔直径比D1／D=1.33；扰流柱直径比Dp／D=1.6；扰流柱间距的比B=S／2；扰流柱高度的比Hp／D=1.33；进气板厚度比 Hi／D=2.4；出气板厚度比Ht／D=1.34；孔间距比S／D=6.4等［3］。具体参数如图1所示。而流体域几何模型上壁面高出固体域30mm，冷气入口处低于固体域下表面14mm。

图1 层板结构参数

1.2 网格划分

使用ANSYS 12.1自带的ICEM对流体域和固体域进行网格划分，其中流体域使用非结构化网格，在与固体域接触的附近区域使用密度盒进行网格加密，同时在流体域与固体域相接的面上生成10层边界层，保证y+在0～1之间，网格单元数为4210000个。固体域网格则进行结构化网格划分，其网格单元数为670000个。网格局部放大如图2所示。

图2 网格局部放大

1.3 计算方法

采用ANSYS12.1中的CFX进行三维稳态数值计算。流体域采用基于SST模型的k-ω湍流模型［4］。在定义求解器基本设定中，差分格式设置为高阶求解模式，Turbulence Numerics设置为高阶求解模式，最大迭代步数设置为1000，均方根残差值（RMS）设为1e-5，其他选项按默认设置。在使用CFX求解器求解时，使用单机4核进行并行计算，达到均方根残差要求后停止计算。

2 计算结果与分析

2.1 网格无关性验证

数值计算结果对计算网格数具有一定的依赖性。通过对同一工况不同网格数下层板冷却结构的平均综合冷却效率η进行了比较，当网格数加密到491万以上时，数值解的最大相对误差为0.96%，将此时的数值解作为网格无关性解。网格无关性实验结果如图3所示。

图3 网格无关性实验

2.2 平均综合冷却效率随主流（燃气）流动方向的变化

定义平均综合冷却效率为：

Tg为主流（或燃气）温度；Tc为二次流（或冷气）温度为层板主流侧平均壁温。吹风比定义为：

ρcVc为二次流（或冷气）密流；ρgVg为燃气密流。

层板结构的冷却效率随主流流动方向是先升高而后下降，然后不断升高，如图4所示。分析这种变化的原因可能是：在主流流动方向上，第一排气膜孔附近位置处主流与二次流不断掺混，使壁面附近气流温度偏向二次流温度，致使壁面温度也偏向二次流温度，层板平均综合冷却效率会升高，而后几排气膜孔位置处主流受二次流的扰动，如图5所示。使大量的主流气体在壁面附近处与二次流掺混，使壁面附近气体温度偏向主流温度，致使壁温偏向主流温度，即平均综合冷却效率降低，但此处的冷却效率高于第一排气膜孔处的冷却效率，而后面的气膜孔位置处，由于前面的冷气不断被吹向后面层板壁面处，在壁面附近逐渐形成一个完整的气膜，使壁温偏向二次流温度，即平均综合冷却效率会不断升高。

图4 平均综合冷却效率随主流（或燃气）流动方向的变化

图5 流线图

2.3 层板与全气膜冷却的比较

数值模拟采用的全气膜冷却气膜孔排布方式、直径和板厚与层板结构一致。数值模拟中保证主流和二次流对应的入口条件以及出口条件一致。

层板的冷却效率比全气膜高。因为二次流在流出气膜孔之前与层板进行了冲击换热，同时由于扰流柱的扰流作用，二次流与层板的对流换热也加强。而全气膜冷却结构没有冲击冷却与扰流柱扰流这些冷却方式，其冷却效率会比层板低，如图6所示。

图6 层板与全气膜冷却结构的比较

2.4 数值计算结果与实验对比

实验［3］中实验板周围的实验数据容易受其他因素的影响，其可靠性受到影响，所以只比较中间几排气膜孔周围的平均综合冷却效率。

在吹风比Br=1.66时，数值计算开始比实验数据小，而后随着主流（或燃气）流向比实验数据高，两者最大相对误差为4.99%。在x／D=30～80范围内，实验数据和数值计算数据都是随燃气流向不断升高。在吹风比Br=1.24时，在主流（或燃气）流动方向上，数值计算数据开始高于实验数据，而后低于实验数据，两者最大相对误差为3.37%，在x／D=30～80范围内，两者都是随主流（或燃气）流动方向不断升高。在吹风比Br=0.80时，数值计算数据一直低于实验数据，两者都是随主流（或燃气）流动方向不断升高，两者最大相对误差为1.13%。如图7所示。

图7 数值计算与实验数据的对比

3 结束语

通过对数值模拟结果的分析，以及与实验数据的对比，得出：层板平均综合冷却效率沿主流流动方向先升高而后下降，最后不断升高；在相同工况下，相同厚度以及相同气膜孔直径和排布规律的层板冷却效率比全气膜高；数值模拟与实验数据误差很小，说明对层板整体进行流固耦合数值模拟能很好地模拟实验。

［1］Wilson M D，Sautner M G.An advanced high temperature turbine for subsonic engine applications［C］.30th AIAA／ASME／SAE／ASEE Joine Propulsion Conference，AIAA 94-3372，1994.

［2］Nealy D A，Reider S B.Evaluation of laminated porous wall materials for combustor liner cooling［C］.Transactions of the ASME，Journal of Engineering for power，1979，（102）：268-276.

［3］全栋梁.层板冷却特性的研究［D］.西安：西北工业大学，2003.

［4］郁新华.层板冷却特性的研究［D］.西安：西北工业大学，2001.

［5］陶 智，伟豪杰，丁水汀，等.典型层板冷却结构中流体流阻与换热特性的实验［J］.航空动力学报，2007，22（2）：193-198.