燃气轮机叶片前缘顺流向带肋旋流冷却流动与传热特性的数值研究

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Numerical study on flow and heat transfer characteristics of streamwise ribbed swirl cooling at the leading edge of gas turbine blades

　　•带肋旋流冷却的全局平均努塞尔数提高了15.90%。•流向肋能够改善压力面与吸力面之间努塞尔数分布的对称均匀性。•两个肋剪切层内的斯特劳哈尔数范围在0.17至0.21之间。•肋的涡脱落使热流体远离壁面，冷流体靠近壁面。引言燃气轮机的热效率取决于涡轮进口处的燃气温度。追求燃气轮机高热效率不可避免地导致涡轮叶片高温问题。特别是在叶片前缘——最先暴露于高温燃气的区域——叶片极易发生热失控[1]。这可能对燃气轮机的正常运行产生不利影响。因此，设计有效的前缘冷却系统或冷却装置对于燃气轮机的成功运行至关重要[2]。前缘冷却系统主要包括内冷和外冷。内冷方法包括冲击射流冷却和强化湍流冷却；外冷方法包括气膜冷却和发汗冷却。近年来，旋流冷却（SC）作为一种由冲击射流冷却发展而来的新型内冷技术受到越来越多的关注。Liu等人[3]研究了不同喷嘴位置对冲击射流冷却性能的影响，发现射流马赫数显著影响表面传热。研究进一步表明，侧向射流喷射可增强涡轮前缘的冷却性能。1959年，Kreith等人[4]首次提出管内涡流可大幅提高对流传热系数，由此产生了旋流冷却的概念。Fan等人[5]通过数值模拟比较了冲击射流冷却、旋流冷却和双旋流冷却的传热性能，发现旋流冷却具有最高的努塞尔数和最均匀的努塞尔数分布。经过多年研究，旋流冷却被认为是燃气轮机叶片前缘最合适的冷却方法之一，目前的研究主要集中在几何构型和运行工况方面。近年来，大量研究探讨了喷嘴的几何构型，如喷嘴形状[6]、喷嘴长宽比[7]、多喷嘴布置[8]等对旋流冷却传热和流动特性的影响。Luan[9]、Seibold[10]等人研究了变截面旋流管的传热性能，发现锥形旋流管可获得更高的努塞尔数，而扩口旋流管可实现更低的压力损失。此外，众多研究者对旋流冷却的瞬态特性进行了广泛研究。Wang等人[11]提出了一种能够增强进口湍流强度的径向双级喷嘴涡流冷却（RDNVC）系统。采用大涡模拟（LES）的数值模拟表明，RDNVC与传统涡流冷却相比具有更优异的传热性能。他们采用SPOD分析研究了涡流冷却机构中的相干结构和湍流传热。Fan等人[12]对半圆柱形涡流管内的湍流结构进行了实验研究。利用POD方法，他们识别出主涡与射流之间存在显著的剪切层。壁面附近的准有序涡主导脉动能量，在增强传热中发挥重要作用。强化湍流冷却技术通过加入扰流肋来增加湍流度并扩大传热表面积，从而增强冷却介质的传热性能。与冲击射流冷却和旋流冷却不同，强化湍流冷却通常应用于叶片的中缘和尾缘区域[13]。在以往的研究中，矩形通道是强化湍流冷却研究的主要对象。大量文献研究了稳态条件下矩形通道内各种肋布置的传热特性[14]，[15]。这些研究有助于理解平均流动行为，并为工程设计提供有价值的参考。此外，众多研究者还研究了非稳态条件下肋后湍流结构的传热机理[16]，[17]。Liu等人[18]实验研究了整个流场中表面压力和速度信号的频谱特性，揭示了三种不稳定性：剪切层内的卡门涡街不稳定性、再附区内的分离模态以及与剪切层振荡相关的低频模态。Fraga等人[19]采用数值模拟研究了底壁上三种不同展向肋构型内的流动模式。通过将适当的本征正交分解（PCA）和象限分析应用于尾流内的速度和压力数据，他们考察了关键流动特征。结果表明，矩形肋和梯形肋均表现出比方形肋更低的涡流复杂性。此外，矩形肋和梯形肋均表现出更小的压差和更低的阻力系数。Y. Kuwata等人[20]采用直接数值模拟（DNS）研究了具有大长宽比的展向肋中的被动传热增强。他们考察了热量与动量传递之间的相似性，发现由K-H不稳定性产生的展向涡引起的传热增强归因于湍流热通量和雷诺剪切应力的增加。上述研究表明，在直通道中添加展向肋的稳态和非稳态流场已被广泛研究。然而，航空发动机或燃气轮机叶片的内部通道并非简单的矩形通道。特别是前缘区域表现出显著的曲率。目前，众多研究者对实际涡轮叶片内部冷却通道中的强化湍流冷却进行了研究。Wang等人[21]对装有非均匀波纹肋的涡轮叶片非前缘区域直冷却通道内的流动和传热特性进行了数值研究。他们发现，增大圆角半径和采用更小的肋角度可以增强努塞尔数的均匀性。这些结果证实，在非前缘区域合理布置肋可以改善努塞尔数的均匀性。Yu等人[22]研究了叶片前缘带气膜冷却孔的周向肋通道中的传热。他们的研究结果表明，高努塞尔数主要分布在肋后和肋尖边缘处，但未讨论努塞尔数均匀性问题。Xiao等人[23]，[24]研究了周向肋对旋流冷却中传热和流动的影响。他们发现周向肋可以减轻旋流冷却中横流的不利影响。Han等人[25]研究了添加微型肋对旋流冷却中传热和流动的影响。研究发现添加流向微型肋改善了局部努塞尔数，但降低了温度均匀性，文章指出由于RANS的局限性，无法详细捕捉近表面结构附近的流体动力学效应。Liu等人[26]通过数值模拟研究了内壁凹陷的旋流管的传热和压力损失特性。研究表明，凹陷引起的局部湍流增强导致喷嘴附近周向平均努塞尔数显著增加。然而，在喷嘴下游，传热降低，并出现传热恶化区域。Kaewchoothong等人[27]研究了用于燃气轮机叶片前缘冷却的带切向进口射流的带肋旋流管的流动和传热特性。结果表明，肋构型显著改变了旋流流动结构并增强了传热，但这种改善伴随着压力损失代价的增加。最近，Cheputeh等人[28]数值研究了带柱肋布置的旋流管中切向射流冲击，报告指出交错柱肋构型比顺排构型产生更强的湍流混合，从而获得更高的传热率，但以流动阻力增加为代价。本研究与相关研究的比较如表1所示。前缘通道旋流冷却追求的目标是更高的努塞尔数及其均匀性。强化湍流冷却中使用的肋可以增强肋下游的湍流强度，从而提高局部努塞尔数。通过适当的肋布置，也可以改善传热分布。大量研究已经调查了周向肋对前缘通道传热的影响。然而，旋流冷却具有显著的周向速度分量，这可能导致周向努塞尔数分布不均匀，进而导致压力面与吸力面之间的传热不平衡。这种不平衡可能导致壁面温度分布不均匀，引发热应力并增加热疲劳风险。以往研究表明，周向肋可以增强旋流冷却的传热性能。然而，需要进一步研究以了解不同肋取向如何影响周向努塞尔数分布及其均匀性。因此，引入流向肋来重新分配近壁面流动的周向分布，可能减少不同周向扇区之间的传热不平衡，并进一步增强前缘壁面的局部努塞尔数。更重要的是，在旋流管中引入流向肋形成了一种耦合流动构型，其中肋诱导的二次流与主周向旋流和弯曲前缘壁面相互作用。所产生的三维相干结构及其与近壁面边界层的相互作用可能与在常规周向带肋或光滑旋流通道中观察到的有显著不同。以往研究主要关注肋几何形状和布置对平均流动结构、传热增强和压力损失的影响。然而，流向肋诱导的相干结构与主旋流之间的非稳态相互作用及其对局部湍流传热的影响仍然了解不足。因此，本文将旋流冷却与强化湍流冷却相结合，在旋流管中加入流向肋。目标是通过在肋后产生高湍流剪切层和边界层分离来增强旋流冷却区前缘的努塞尔数。该方法还旨在改善前缘压力面与吸力面之间周向努塞尔数的对称性。此外，采用湍流结构分析和象限分析来研究相干湍流结构对传热的影响。进一步采用EPOD分析来证明肋诱导湍流结构与局部传热行为之间的关系。这项研究不仅有助于更深入地理解旋流冷却机理，也为开发高效冷却系统（特别是涡轮叶片前缘）提供了有价值的见解。本文的结构如下：第2部分涵盖数值模拟设置、网格无关性验证、数值验证和数据分析方法。在Re=10,000条件下进行了数值模拟，以比较SC和RSC之间流动和传热的差异。同时，在雷诺数为10,000、15,000和20,000条件下计算了RSC算例，以研究雷诺数对流动和传热的影响。第3部分介绍研究结果和讨论，探讨流向肋的存在对旋流冷却的影响；最后部分给出结论。章节片段几何细节图1显示了本研究提出的带肋旋流冷却（RSC）和旋流冷却（SC）系统的几何构型。SC系统由半圆柱形旋流管和两个矩形喷嘴组成。基本几何形状，包括切向喷嘴的布置、数量和尺寸，参照Fan等人[8]，[12]和Wang等人[29]报道的旋流冷却构型建立。RSC系统增加了两个2mm×2mm方形平均流场流场显著影响旋流管内的传热，特别是在径向压力不均匀的情况下，如弯曲表面。因此，研究旋流管内的流场具有高度相关性。第1截面代表旋流管内第一个喷嘴的中心横截面，该截面中绘制的流线和等值线反映了RSC和SC中冷却剂从喷嘴流出时的流动行为。如图9所示，结论为增强涡轮叶片前缘的传热率和均匀性，提出了一种带肋旋流冷却（RSC）构型。采用大涡模拟（LES）研究了不同雷诺数（Re = 10,000、15,000 和 20,000）下旋转光滑通道（RSC）内的湍流流动与传热特性，并与旋流冷却（SC）的结果进行了比较。结论总结如下：在平均流场特性方面，第1截面存在三种类型的涡旋。CRediT 作者贡献声明：王晓东：撰写初稿、方法学、调查、正式分析、数据管理、概念化。董启轩：验证。赖灿龙：可视化。周杰：软件。冉傲涵：项目管理。康玉佳：数据管理。刘明侯：撰写与审阅、资源、资金获取。利益冲突声明：作者声明，不存在已知的相互竞争的经济利益或个人关系影响本文所报告的工作。致谢：本文感谢中国科学技术大学超算中心及合肥先进计算中心的计算支持。王晓东|董启轩|赖灿龙|周杰|冉傲涵|康玉佳|刘明侯