燃气轮机叶片S型微冷却通道内盐雾颗粒沉积与传热特性的数值研究

本文采用CFD-DEM（计算流体力学-离散元法）耦合技术，数值模拟了盐雾环境中NaCl颗粒在燃气轮机叶片S型微通道内的沉积特性及传热性能。研究揭示了雷诺数（3000≤Re≤9000）、颗粒粒径（dp=10-30μm）、入口体积分数（εin=0.5%-3.5%）等因素对颗粒沉积位置与效率的影响，为优化抗颗粒堵塞的微通道冷却设计提供理论依据。

　　

Highlight

本研究通过CFD-DEM耦合方法，首次系统分析了S型微通道内盐雾颗粒的沉积动力学与传热特性，揭示了弯曲段外壁（尤其是第一弯道）为颗粒堆积热点，为抗堵塞冷却结构设计提供了关键靶点。

Governing equations for the gas phase

采用非定常雷诺平均Navier-Stokes（URANS）方程描述气相运动，结合离散元法（DEM）追踪颗粒轨迹。控制方程包括连续性方程、动量方程（考虑颗粒-流体相互作用力）及能量方程，其中湍流模型采用k-ω SST（剪切应力输运）模型以捕捉近壁区流动特性。

Physical model and boundary conditions

计算模型简化自真实叶片内壁，包含两个弯曲角（30°≤α≤120°）的S型通道，对比分析了圆形/方形截面（水力直径1mm）的性能。边界条件设定为：入口速度对应Re=3000-9000，颗粒体积分数ε_in最高达3.5%，气相温度T_g=600-800K。

Validation

通过对比Liu等人的气固湍流实验数据，验证了模型在扩散-碰撞区和惯性缓冲区的预测精度，颗粒沉积速度误差<15%，证实了方法的可靠性。

Effect of Reynolds number

当Re从3000增至9000时，30μm颗粒在首弯外壁的沉积量减少37%，因增大的流体曳力抑制了颗粒惯性碰撞。但传热系数提升12%，显示高Re虽降低沉积却增强冷却效率。

Conclusions

研究表明白色立方晶系NaCl颗粒在弯曲段呈现"外壁富集-直管区稀疏"的分布模式，圆形截面通道结合30°弯角可降低21%沉积效率。该成果为海洋环境燃气轮机抗盐雾腐蚀设计提供了理论支撑。