燃气轮机叶内冷却通道中肋片高度分级配置的传热流动特性及适用性范围定量研究

《Scientific Reports》：Thermo-hydraulic limits of streamwise rib height grading in high-aspect-ratio cooling channels

　　# 摘要肋片扰流器是增强燃气轮机叶片内部冷却的标准手段，近期的一项系列工作提出沿流动方向对肋片高度进行分级，以使冷却剂最冷的区域产生湍流。但这种分级程度在多大范围内仍然有利尚未确定。本研究针对高纵横比（AR = 4）矩形通道内均匀加热壁面上安装的五片方形肋片，定量确定了该适用范围。分级程度由单一参数——肋片高度比（RHR）来描述，定义为在固定间距和固定下游肋片高度条件下首末肋片高度之比，在完全相同的几何构型下对比了从 RHR = 1（均匀）到 RHR = 5 的五个构型。对雷诺数从 2×10? 到 8×10? 的范围进行了采用 SST k–ω 模型的三维稳态 RANS 模拟。RHR 增大时，归一化努塞尔数单调上升，在 Re = 8×10? 时从 1.29 升至 1.42，但归一化摩擦系数在同一范围内从 2.05 升至 4.30，增幅大一个数量级。因此，两项性能指标均随 RHR 单调下降：在 Re = 8×10? 时，热性能因子 η? 从 1.016 降至 0.870，即在等泵功条件下，均匀阵列优于所有受检的分级阵列。流场分析揭示了其原因：当分级超过中等程度时，前部高肋片不再作为离散的湍流促进器发挥作用，而是集体将主流偏转远离加热壁面，使剪切层脱离壁面，在下游形成低动量、低努塞尔数的区域，抵消了上游的大部分增益。以 η? ≥ 1 作为设计准则，所得到的许可上限从 Re = 2×10? 时的 RHR = 4.41 收缩至 Re = 8×10? 时的 RHR = 1.36。因此，当受约束的是传热而非泵功时，高度分级仍然具有吸引力，因为它可提供高达 10% 的额外传热量，但许可的分级程度必须根据设计雷诺数来选择。