底喷侧喷流化床工艺缺点（压力侧喷槽对端壁表面冷却性能会造成哪些影响）
底喷侧喷流化床工艺缺点（压力侧喷槽对端壁表面冷却性能会造成哪些影响）1.几何和边界条件尽管已经进行了许多研究来提高端壁冷却效率，但由于叶片通道中存在横向流，沿叶片压力侧的区域仍然获得相对较低水平的冷却效率。因此，我们感兴趣的主要问题涉及压力侧注入槽对提高压力侧端壁冷却效率的影响。这种冷却剂射流可以有效地用于实现对前部区域，甚至对更下游区域的冷却益处。过去的研究表明，前缘附近的复杂涡流对端壁冷却性能也有显著影响。相反，来自上游槽的冷却剂射流也改变了叶片前缘附近的涡流分布。当上游槽中的一部分冷却剂射流从端壁上升起时，在没有薄膜孔的情况下，马蹄形涡流得到了增强。因此，一部分冷却剂射流被增强的马蹄形涡流从端壁提升，而不是冷却端壁表面。为了减少马蹄形涡流的影响，在前缘附近引入了薄膜孔。因此，上游槽和前缘膜孔结合在一起，以提高端壁的冷却效果。
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前言：全球能源需求的显著增长和对NOx排放的严格管制，已成为世界可持续发展的巨大挑战。为了解决这些问题，设计者提高涡轮机入口温度以获得更高水平的热效率，从而最大限度地减少CO2排放。
在涡轮机行业，真正的燃气轮机是由许多部件组装而成的。因此，不同部分之间的差距是不可避免的。最重要的接口之一是燃烧器出口和涡轮机入口之间的上游槽。为了避免吸入热气，上游槽中充满了来自压缩机的高压冷却液。
这种冷却剂射流可以有效地用于实现对前部区域，甚至对更下游区域的冷却益处。过去的研究表明，前缘附近的复杂涡流对端壁冷却性能也有显著影响。相反，来自上游槽的冷却剂射流也改变了叶片前缘附近的涡流分布。
当上游槽中的一部分冷却剂射流从端壁上升起时，在没有薄膜孔的情况下，马蹄形涡流得到了增强。因此，一部分冷却剂射流被增强的马蹄形涡流从端壁提升，而不是冷却端壁表面。
为了减少马蹄形涡流的影响，在前缘附近引入了薄膜孔。因此，上游槽和前缘膜孔结合在一起，以提高端壁的冷却效果。
尽管已经进行了许多研究来提高端壁冷却效率，但由于叶片通道中存在横向流，沿叶片压力侧的区域仍然获得相对较低水平的冷却效率。因此，我们感兴趣的主要问题涉及压力侧注入槽对提高压力侧端壁冷却效率的影响。
1.几何和边界条件
叶片叶栅的布局如图1所示，所有参数和边界条件与实验中的相同。图1a显示了冷却方案和叶片的俯视图。冷却方案包括上游槽、薄膜孔和压力侧注入槽。在这项研究中，由于优越的冷却性能，采用了上游槽的圆角连接。
图1b显示了带有下游圆角和薄膜孔的上游槽的侧视图。本研究中上游槽和薄膜孔的倾斜角度分别规定为45°和30°。此外，上游槽和膜孔的恒定质量流速是根据实验确定的。
图1 具有端壁冷却配置的叶栅布局，（a）正常叶栅的自上而下视图；（b） 正常情况下的侧视图
此外，前缘附近薄膜孔的直径为D=4.6mm，所有长度变量均用D归一化。在本研究中，所有几何和流动条件如表1所示。
图2显示了带有冷却系统的叶片叶栅的概述。一级叶片端壁由三部分冷却剂射流共同冷却，如图2所示。本研究提出了一种压力侧注入槽，以提高叶片压力侧附近的冷却效果。
表1
从压缩机中提取的一部分冷却剂流经该注入槽并进入主流，有助于提高压力侧端壁表面的冷却效率。
3.网格和解算器描述
在本研究中，使用软件ANSYS ICEM CFD计算域生成结构化六面体网格，包括叶片叶栅通道和冷却方案。就模拟域的独特拓扑而言，叶片叶栅通道使用H型网格，叶片表面周围使用O型网格，并通过薄膜孔获得高级网格。
图2 带端壁冷却配置的叶栅概述
为了在壁附近获得精细的网格，O型块中的40层和20层网格分别限定在叶片表面和膜孔周围。此外，120和80个节点沿着跨度方向和上游槽的宽度插入。没有压力侧注入槽的基线情况的网格如图3a所示。带有压力侧注入槽的壳体网格如图3b所示。
数值模拟中总共使用了9.6×106个单元，由于湍流模型的要求，对端壁和叶片表面附近的第一个单元的厚度进行了细化以确保。此外，模拟域由具有周期性边界条件的单个叶片通道组成。为了提高模拟精度，对模拟域的接口节点进行周期性匹配（1:1）。
图3 带和不带压力注入槽的叶栅网（a）无压力侧注入槽的正常情况；（b） 带有压力侧注入槽的壳体
为了获得计算域的更多细节并确保计算的收敛性，入口和出口边界分别位于前缘上游1.0轴向弦的距离处和后缘下游1.5轴向弦的位置处。此外，在入口平面上规定了绝对总压力和绝对总温度条件。平均静压是在出口平面上确定的。
采用点隐式线性方程解算器结合代数多重网格方法和速度-压力耦合算法来避免解耦。此外，还采用了二阶平流格式。在计算中，假设空气作为理想气体作为流体。表2列出了本研究中数值方法的详细信息。
表2
4.湍流模型选择
本节旨在介绍为数值模拟选择最佳湍流模型的重要性。这是因为湍流模型对于使用RANS方法的数值模拟具有重要意义。因此，CFD方法在用于数值模拟之前必须经过验证。
对于相同的叶片剖面和边界条件，我们将使用四种不同典型湍流模型获得的数值结果与实验结果进行了比较，以确定最合适的结果。
在数值模拟中，所有边界条件与实验中相同，上游槽和薄膜孔的吹风比分别为和，验证已在研究中进行。通过比较，我们发现SST湍流模型在所有研究的湍流模型中，端壁冷却效率分布的精度最高。因此，SST湍流模型也被用于本研究中的所有模拟。
图4 端壁表面附近的冷却性能和流场（a）端壁上的冷却效果；（b） 端壁附近的流线
5.电网独立性
为了最大限度地减少计算资源并获得准确的数值结果，本节研究了网格的独立性。如实验中所述，对不同网格4.5×106、7.0×106、9.0×106和1.1×107的基线情况进行了网格独立性研究。
在所有情况下，网格都经过细化，以确保第一个网格距离端壁的距离符合SST湍流模型的要求。在三个坐标方向上以相同的拉伸比同步调整网格节点。表3列出了不同网格的叶片前缘附近区域的面积平均冷却效率，如图4a所示。
表3
二、结果1.无压力侧注入槽的叶片端壁冷却性能
图4说明了在没有压力侧注入槽的基线情况下，端壁表面和与端壁相邻的流动结构上的绝热冷却效果。图4a显示，与端壁上的其他区域相比，前缘周围和压力侧的大区域获得了相对较小的冷却效果。图4b表明，马蹄形涡流在前缘附近的流场中占主导地位。
大部分上游冷却剂射流，被限制在马蹄形涡流的压力侧支腿和吸力侧支腿之间的区域内。这是因为来自膜孔的冷却剂射流的一部分被抬离端壁表面，并且靠近叶片压力侧的冷却剂射流部分被侧向压差朝向吸入侧驱动。
因此，压力侧端壁表面暴露于热气体，导致沿着压力侧的热区域。高温区域承受着高水平的热负荷，这对燃气轮机的运行构成了重大威胁。因此，本研究旨在通过在一级导叶根部引入压力侧注入槽来提高压力侧端壁冷却效率。
2.带压力侧喷射槽的叶片端壁冷却性能
我们选择了三种压力侧注入槽配置来研究端壁表面的冷却效果，图5从上到下显示了三种不同的压力侧注入槽配置。图5a显示了正常插槽（NS）配置。在这种情况下，冷却剂通过具有恒定横截面积的管喷出。图5b显示了扩展插槽（ES）配置。
图5 三个压力侧注入槽俯视图（a）正常槽；（b） 扩展插槽；（c） 聚合槽
冷却液流通过横截面积增大的管道喷出，此外，两个侧面之间的角度为18°，如图5b所示。图5c显示了收敛槽（CS）配置。横截面积沿着冷却剂流动方向减小。对于所有情况，压力侧槽的宽度被定义为常数1.5D，压力侧注入槽的高度为0.5D。
图6显示了端壁表面的绝热冷却效果。与基线情况相比，在具有压力侧注入槽的情况下，观察到冷却效率显著提高，尤其是对于具有大吹风比的NS和CS。对于NS和CS的情况，冷却液覆盖率随着吹风比的增加而逐渐增强。
然而，当压力侧喷射槽的吹风率增加时，具有ES的情况显示出压力侧端壁冷却效率的完全不同的变化。
图6 端壁表面的绝热冷却效果
对于NS和CS，当M=0.5时，冷却剂靠近压力侧。随着吹风比的增加，由于冷却剂动量的增加，冷却剂变得远离叶片压力侧表面。因此，冷却剂覆盖率随着压力侧槽吹送比的增加而增大。
最重要的是，当冷却剂由压力侧垂直流驱动时，冷却剂实现了M＝1.5的相对较大的横向膨胀。相比之下，ES的情况获得了最大的冷却剂覆盖范围。
然而，当吹风比从M=0.5增加到M=1.0时，ES显示出冷却剂覆盖率的降低。另一方面，当吹风比从M＝1.0增加到M＝1.5时，冷却剂覆盖率显示出小的增加。
此外，所有结果表明，压力侧注入冷却剂主要有助于提高叶片压力侧的冷却效率。然而，它对端壁表面的其他区域没有影响。
图7显示了端壁上的横向平均绝热冷却效率。前缘附近的区域（Z/D=0）由于前缘周围存在热环而获得相对较低水平的冷却效果。此外，结果表明，压力侧注入槽的引入在5≤Z/D≤30的区域具有显著的影响。
这可以通过以下事实来解释，即压力侧注入槽的冷却效益限制在沿压力侧的区域内，如图6所示。因此，详细研究了沿压力侧的区域，以阐明压力侧冷却剂注入的影响。
图7 端壁横向平均冷却效果
图8显示了压力侧区域的端壁绝热冷却效果。结果表明，引入压力侧注入槽后，压力侧端壁表面的冷却效果显著提高。NS和CS的冷却效果随着吹风比的增加而提高。更重要的是，冷却剂射流的横向膨胀随着吹风比的增加而增加，从而导致冷却剂覆盖率的增加。
然而，ES在较小的吹风比下获得了最大的冷却剂覆盖率。冷却液覆盖率在吹风比下显著降低，从增加到。总体而言，CS在所有调查案例中实现了最大的冷却剂覆盖率。
图8 压力侧端壁表面的绝热冷却效果
图9显示了压力侧端壁表面的横向平均绝热冷却效率。基准情况在压力侧端壁表面上获得最低水平的冷却效果。在所有情况下，在7≤Z/D≤9的范围内观察到最大的横向平均冷却效率。这是因为压力侧槽出口位于该区域内（7≤Z/D≤9）。因此，局部冷却效果显著提高。
CS获得了比NS和ES相对更大的冷却效果，尤其是在压力侧注入槽的下游区域（10≤Z/D≤30）。表3列出了压力侧端壁表面的面积平均冷却效率，如图8所示。
结果表明，通过引入压力侧注入槽，提高了压力侧面积平均冷却效率。ES的冷却效率最高。然而，CS在大的吹风比下获得最大的冷却效果（和）。
图9 压力侧端壁表面的横向平均绝热冷却效率
如图4所示，叶片压力侧附近的涡流对端壁冷却效果有很大影响，导致端壁表面出现热区。图10显示了端壁表面附近主流和冷却剂的流线。来自上游槽和前缘膜孔的冷却剂被限制在马蹄形涡流的压力侧支腿和吸力侧支腿之间的区域内。
因此，马蹄形涡流的压力侧支腿和叶片压力侧之间的区域暴露于热气，并承受高水平的热负荷。对于ES，冷却剂以较小的吹风比M=0.5广泛扩散，因此获得相对较大的冷却剂覆盖范围。相反，对于NS和CS，在M＝0.5时，冷却剂保持靠近压力侧表面。
随着吹风比的增加，NS和CS的冷却剂扩散到更大的区域。因此，冷却剂射流在下游区域遇到马蹄形涡流的压力侧分支。横向垂直流动迫使冷却液流向吸入侧。因此，冷却液覆盖范围在压力侧垂直流动的帮助下扩大。
图10 端壁表面附近的流动结构
为了阐明压力侧冷却剂射流对压力侧端壁附近冷却性能和流场的影响，图11显示了叶片压力侧附近四个不同截面上的冷却效果、流动结构和温度。
结果表明，与基线情况相比，通过引入压力侧注入槽，叶片压力侧附近的冷却剂覆盖率显著增加，尤其是在高吹风比下。对于NS和CS，冷却剂的膨胀可以在下游区域增大。这可以通过以下事实来解释：压力侧垂直流动迫使靠近端壁表面的冷却剂射流朝向吸入侧。
这种横向运动有助于增强冷却剂射流的膨胀，特别是在下游区域。因此，NS和CS的下游区域的冷却剂覆盖率显著增加。然而，当吹风比从M=0.5增加到M=1.0和M=1.5时，ES显示出压力侧附近的冷却剂覆盖率显著降低。
图11 叶片压力侧附近的冷却效率、流量和热场
这是因为在M=1.0和M=1.5时，冷却液从ES的端壁表面升起。如图11所示，在压力侧附近产生涡流，并以M=1.0和M=1.5的吹风比将冷却液从端壁表面提起。因此，与NS和CS相比，压力侧端壁表面上的冷却剂覆盖率显著降低。
总的来说，与NS和ES相比，CS的冷却液射流传播得更广，实现了更大的冷却液覆盖范围，尤其是在高吹风比下。
图12 叶片压力侧附近的流动结构和温度分布
图12显示了叶片压力侧附近的流线和分布。选择基线情况和M=0.5的CS来研究压力侧涡流对冷却剂射流横向膨胀的影响。结果表明，压力侧角涡和马蹄形涡的压力侧支腿阻止了冷却剂从上游槽流出，前缘膜孔使其向叶片压力侧移动。
3.空气动力学性能
图13显示了后缘下游1.5轴向弦杆处出口平面上总压力损失系数的分布。病例之间没有显著差异。图14显示了出口平面处沿跨度方向的总压力损失系数。所有情况在跨度方向上都有相似的变化。
图13 出口平面上的总压力损失系数
表4列出了出口平面处的面积平均总压力损失系数。在M=1.0和M=1.5时，ES的总压力损失系数的最大差值约为0.15%。与NS和ES相比，CS获得了相对最小的总压力损失。总体而言，压力侧喷射槽的引入对叶栅气动性能的影响非常小。
图14 出口平面处沿跨度方向的总压力损失系数
结论：在本研究中，研究了压力侧注入槽对端壁表面冷却性能的影响。结果表明，相对于基线情况，压力侧注入槽的引入为提高压力侧端壁表面的冷却效率做出了巨大贡献。总的来说，压力侧喷射槽导致叶片叶栅中的气动损失非常小。
表4
ES在M=0.5的压力侧附近实现了最大的冷却效果。在M=1.0和M=1.5时，CS实现了比NS和ES更大的冷却剂覆盖率和冷却效率。
此外，结果表明，压力侧注入槽的引入导致叶片叶栅总压力损失小幅增加。在ES为M＝1.5的情况下，最大的总压力损失系数约为0.15%。更重要的是，在任何吹风比下，CS比NS和ES引起更小的总压力损失。
表5
参考文献：
1.叶片端壁薄膜冷却的中间通道间隙和上游槽的计算研究，谷歌学术，哈达，2006年
2.涡轮端壁空气动力学和热传递，科学网，西蒙，2006年
3.端壁薄膜冷却的空气动力学方面，涡轮马赫发动机，南弗里德里希，1997年
4.沉积高度和宽度对薄膜冷却的影响，热传递，孙登，2016年
5.大型涡轮端壁传热和薄膜冷却的实验研究，热传递，布莱尔，1974年
