参数的研究叠层冷却配置:整体冷却效果

文摘

结合膜冷却的优势,冲击冷却,和增强冷却针鳍,层压冷却正吸引着越来越多的关注。本研究主要探讨几何和热力学参数对整体的影响冷却效果的层压配置,和模型实验进行了验证计算结果。发现增加膜冷却孔直径和针鳍直径都导致冷却效果的增加,但冲击孔直径的增加,冲击高度、高空孔间距降低冷却性能。冷却剂流量的增加导致冷却效率的增加,但这种效应变得较弱的冷却剂流量。coolant-to-mainstream密度比率对冷却效果没有明显的影响,但影响壁温明显。此外,根据计算结果,实证相关开发预测整个冷却效率在一个特定的范围,并应用遗传算法确定经验参数。与计算结果相比,平均预测误差(相对价值)的相关性可能达到8.3%。

1。介绍

在燃气轮机的冷却方法,膜冷却是最常见和有效的冷却方法,已被广泛研究。结果(1,2]表明,膜冷却效率的提高主要是抑制肾涡的发展,减少正常的冷却射流穿透能力的主流。小说中膜冷却方案,研究人员设计combined-hole [3,4),antivortex孔(5,6,沟7,8),和ridge-shaped选项卡(9,10抑制肾涡的强度。然而,随着燃气轮机的发展趋势,燃烧室出口温度继续增加较高的回收效率,和单一冷却方法不能满足需求。为了减少热应力,延长热组件的使用寿命,双壁复合冷却配置包括飞机发出的墙和一个目标墙间隔的飞机发出墙已经开发出来。侵犯后目标板的内表面,冷却剂提取从内部渠道和退出膜冷却孔。因为结合膜冷却的优势和射流冲击冷却、双壁冷却已被广泛研究和应用在过去的几年中。射流雷诺数等因素,内部通道高度,孔直径和孔数量以及孔间距也被详细检查(11- - - - - -15]。

冷却性能的进一步改善,开发层压冷却采用针鳍双壁冷却内部通道的配置。如图1在狭小的空间内,层压冷却通常是实现由一个冲击层,一层膜,和数组之间的针鳍。冷却液进入内部渠道的冲击孔,然后影响着目标板的内表面和与针鳍,并最终退出膜冷却孔。针鳍膜层和冲击层直接连接,从而提高导热在固体域。此外,针鳍的应用促进了对流换热的内部通道,增加冷却剂和固体之间的接触面积16]。劳斯莱斯公司首先应用复合冷却的热保护透明燃烧衬管,和实验结果表明,这种新的复合冷却结构可以实现相同的冷却性能只有67%的冷却剂消耗与传统情况下(相比17]。层压冷却也被用于许多其他燃烧器,和运行数据表明,冷却效率可以达到0.7 ~ 0.9 (18]。实验结果从金正日et al。19)也表明,与具有相同厚度膜冷却相比,冷却效果增加约47% ~ 141%采用层压冷却。

由于其优越的散热性能,层压冷却吸引了越来越多的来自学术界和工业界的关注。Funazaki和Hachiya20.,21)之间的传热相比,层压和传统双壁冷却配置。他们的研究结果表明,在目标表面热通量增加约50%通过引入针鳍。此外,压降和努塞尔特数针鳍表面减少针翅片高度的增加。Nakamata et al。22,23]研究针鳍安排和大小的影响传热。他们报告说,针鳍的应用提高了冷却效果显著的上游地区,但在下游地区没有明显的影响。罗等。24]研究了酒窝影响传热和摩擦层压的性能配置。他们的研究结果表明,随着酒窝直径和深度的增加,传热在目标表面上增加首先因为流回贴和再循环的增加然后减少由于流动分离。罗等。25)还表示,增加针鳍规范化的位置和直径降低目标表面的传热,但降低了摩擦系数。实验结果从王et al。26)表明,角膜冷却孔对传热的影响非常明显。即使没有针鳍,冷却效率高可以通过调节膜冷却孔的角度。聚氨酯等。27)进行实验研究比较叠层冷却冷却端壁和电影。他们表示,增加湍流强度降低的结果整体冷却效果,尤其是对层压情况下。此外,菱形销鳍和大型撞击黑洞可以提高冷却性能。实验结果从Rao et al。28]表明,引入积液孔和销鳍可以抑制交叉流的强度,提高传热均匀。此外,在大多数情况下,侧壁上的叠层配置生成更好的冷却性能,在平板上。《理发师陶德》和罗兹29日]发达雪花针鳍叠层配置。他们表明,在小洞间距,膜冷却孔的倾斜可以有效提高冷却效果,但这种影响变得弱随着井距的增加。谭et al。30.)相比,椭圆,水滴,圆针鳍和发现的针鳍产生更好的冷却性能。王等人。31日]研究了叠层配置的热应力特征。他们表示,也不管他打到第几洞为主要目的的影响最明显,而撞击坑直径和针鳍直径的影响很弱。pitch-to-diameter比率的影响冲击式和膜冷却孔研究了周et al。32]。他们表示,pitch-to-diameter冲击孔的比例的增加导致压力损失的指数增加。

由于众多叠层配置的结构参数,其影响力仍是一个值得关注的重点。此外,燃烧室的高温和高压的环境,这是明显不同于实验的操作条件。因此,有必要模拟叠层配置在真实条件下的冷却性能的数值方法。摘要叠层结构的冷却性能进行了研究,以及热力学和几何参数对整体的影响详细分析了冷却效果。验证实验进行了测试数值结果。此外,实证相关预测整体冷却效率的开发和应用遗传算法确定经验参数。

2。计算域入口条件

如图2(一个),计算域由一个主流渠道,冷却剂通道,层压冷却结构。孔和销的详细安排鳍在冷却结构如图2 (b)。表示知识上的孔间距方向,表示流向方向上的孔距。电影板和防冲板的厚度是0.5毫米,和其他几何参数的变化的层压结构表中列出1。 , , ,和表示冲击孔直径、膜冷却孔直径、冲击高度,分别和阻断率。设计参数的层压板配置应用于燃烧室衬;参数的选择范围扩大的基础上实际的结构。主流通道的长度 ,的宽度 ,和一个200毫米的高度。冷却剂通道的长度 ,的宽度 ,和一个40毫米的高度。轴的原点位于板凳膜冷却孔的中心。的 , ,和轴表示流向、高空和垂直方向的冷却表面,分别。

主流的入口速度20米/秒,温度2000 K, 3.0 MPa的压力。质量流量入口边界条件指定的冷却剂进口。单位面积上的冷却剂消耗速率( )改变从3公斤/米²27公斤/米²年代。冷却剂温度变化从680 K ~ 1000 K。固相的密度为8934公斤/米³的比热550 J /(公斤·K),和25 W /导热系数(m·K)。理想气体用于气相,粘度的变化遵循萨瑟兰定律(33]。

结构化网格如图3由策略生成软件(34]。附近的墙面,网格点是精制,以确保 。为了测试湍流模型的准确性,CFD结果与不同的湍流模型与试验数据从Nakamata et al。22]。在计算领域,气膜冷却孔的直径4毫米,3毫米的高度。冲击孔的直径4毫米和4毫米的高度。针翅片的直径3毫米和6毫米的高度。孔间距是20毫米,孔距是10毫米。主流和冷却剂温度673 K和336.5 K。如图4的预测精度,可实现的k- - - - - -ε模型是高于其他模型。所以,在目前的研究中,可实现的k- - - - - -ε用于湍流建模,和增强墙函数适用于墙的治疗。网格数量取决于网格独立测试。在目前的情况下,900万年和1800万年之间的网格数量。

软件(Ansys流利33)用于解决控制方程。二阶方案和最小平方细胞方案申请离散化压力梯度项,分别。二阶逆风方案申请能量和动量方程的解决方案。压力速度耦合是通过简单的算法。三个标准是用来确定计算是否收敛:(1)标准化残差值(≈10⁻⁶),(2)变异的地方(≈10有效性⁻²),(3)质量平衡错误(≈10⁻⁶)。

3所示。模型验证

实验对模型进行了验证。实验系统如图5。提供的压缩空气供应(0.8 MPa),主要的流经过校准孔板流量计,然后进入燃烧室。燃烧室是用来产生高温烟气。烟气是路由通过一个与挡板部分,确保获得均匀温度分布在整个截面,然后进入测试部分。主流的温度和速度是600 K和20 m / s在目前的研究中。冷却液温度为300 K,计算的速度是吹比(是吹率,定义为 ,在哪里和分别mainstream-flow密度和冷却液流密度)。

测试的入口表面部分的宽度为120毫米和200毫米的高度。红外温度记录是用来测量温度的热侧表面通过红外玻璃顶部表面的测试部分。这个红外玻璃高名义透射率近0.97在红外波段(8 ~ 14毫米)的红外光谱。红外测温术(Mag32HF模型)是由老大电子有限公司有限公司和它的测试范围和精度是-20 ~ 500°C和±1°C,分别。红外测量校准进行了提前通过使用五个热电偶嵌入式black-painted测试表面。详细的测量和校准步骤说明了霁(35]。层压冷却结构如图6是由316不锈钢。在目前的研究中,两个叠层结构的冷却面积 测试,他们的几何参数表中列出2。

图7显示测试表面冷却效率的分布。冷却效率随着吹风比的增加而增加,尤其是在较低的冷却液消耗。案例1生成更好的冷却性能比第二种情况。然而,由于气膜冷却孔的大开口率,例1的冷却剂消费是同时也高于案例2吹比例。图8整体比较平均的冷却效果的数值模拟和实验测量。在启动区,计算误差高于稳定区域,尤其是对第二种情况。它可以导致两个因素:(1)加工误差可能引起的差异;(2)气体的叠加过程影片在启动区是非常复杂的预测。然而,错误的水平不高。例1和例2的最大相对误差分别为10.3%和14.5%,分别。此外,图9比较了中心线平均整体冷却效果;例1和例2的最大相对误差分别为3.4%和2.8%,分别。总的来说,CFD结果与实验结果一致。

4所示。结果分析

4.1。热力学参数的影响

图10显示了冷却剂流量的影响在热侧墙温度分布。叠层配置的大小 。密度比是2.5。回水区距离的增加,温度急剧降低,因为气体的叠加效应的电影。在前线地区,冷却剂喷射注射从前面行膜冷却孔的经验发展阶段合并在一起;当地整体冷却效果肯定是小。在中间和落后地区,由于上游冷却喷流的叠加效应,得到薄膜层(即充分发展阶段)开始形成,所以当地的有效性逐步达到最大值。然而,后缘地区,温度变得稳定,与距离回水区显然不会改变。总的来说,增加了有效的冷却剂流量降低壁温。图11显示了横向平均冷却效率的变化与距离回水区在不同的冷却液流率。在低流速,增加冷却剂流量导致冷却效率明显的增加。例如,area-averaged冷却效率增加从0.763到0.908通过增加冷却剂流量从3到18公斤/米²年代。然而,在一个较高的冷却剂流量、冷却效率变得稳定。例如,area-averaged冷却效率只改变随着冷却流量的增加约0.83%从18到24公斤/米²年代,由于得到热侧表面膜层的叠层配置,和冷却效率非常高;它不改变明显的冷却剂流量。

图12显示了影响镀膜coolant-to-mainstream密度比的温度分布。单位面积上的冷却剂消耗是8公斤/米²年代。增加密度比壁温明显降低的结果。例如,area-averaged外表面温度从1087减少到783 K的密度比从2.0增加到3.0。图13显示了横向平均冷却效率的变化与距离回水区在不同密度比率。密度比在气膜冷却效率的影响很弱。例如,在 ,冷却效率只有变化从0.892到0.894通过增加密度比率从2.0到3.0。所以,在目前的情况下,密度比的增加可以降低壁温,但没有明显的对冷却效率的影响。

4.2。几何参数的影响

图14显示了影响膜孔直径的流线分布在中央平面( )。在目前的情况下, , ,和 。增加孔大小可以减少飞机渗透成为主流。因为孔大小的增加导致增加的开放率和减少喷气动力。图15显示了横向平均冷却效率与流向的变化在不同的膜孔直径的距离。在 ,孔大小的增加从0.9到1.5毫米导致冷却效率的增加从0.655到0.703。在 ,孔大小的增加会导致冷却效率的增加从0.893到0.931。总的来说,增加了膜孔直径改善冷却剂覆盖和有效的冷却性能。

数据(16日)和16 (b)显示中央平面上的流线分布在不同冲击高度。在目前的情况下, , ,和 。两边的撞击飞机,生成一对滚子的漩涡。可以发现,增加冲击高度的增加导致滚涡的规模。此外,滚子漩涡的中心向上移动随着冲击高度的增加。图17显示距离回水区的冷却效率的变化在不同冲击高度。随着冲击高度的增加,射流之间的动量损失造成的混合物和周围的气体增加,降低了冲击冷却能力。另一方面,增加了冲击高度的增加也会导致针鳍的表面积,提高冷却液之间的对流传热和别针。在目前的情况下,第一个效应的主导作用,冷却效率随冲击高度的增加而减小。然而,冲击高度对冷却效果的影响不是很明显。例如,随着冲击高度减少从3毫米到1毫米,area-averaged冷却效果,只会降低2.5%。

数据(16日)和16 (c)显示的影响冲击孔直径流线分布在中央平面上。在目前的情况下, , ,和 。作为冷却剂进入撞击坑,流线偏转,驻点在目标表面下游移动。随着孔的大小增加,流线偏转越来越明显;因此,冲击冷却性能变得更糟。此外,孔大小的增加导致喷射速度的降低,也冷却性能恶化。例如,在目标表面温度从854增加到903 K通过增加冲击孔直径从0.9到1.5毫米。图18显示了冲击高度对冷却效率分布的影响。随着回水区距离的增加,冷却效率降低首先然后保持稳定。与膜孔相比,撞击坑的影响大小冷却弱得多。例如,area-averaged冷却效率变化7.0%通过增加膜孔直径从0.9到1.5毫米但只有2.7%通过增加冲击孔直径从0.9到1.5毫米。这说明膜冷却需要层压冷却的主导作用。

图19显示了针翅片直径对温度分布的影响。在目前的情况下, , ,和 。随着针鳍直径的增加,温度降低。针鳍的存在增加了换热面积和湍流强度内腔,提高了对流换热。此外,针鳍连接电影板和防冲板,提高两个板块之间的热传导。例如,随着针鳍直径的增加从0到0.8毫米,area-averaged温度冷侧表面的膜板减少从897 K到850 K,但是area-averaged温度的热侧表面冲击板增加从825 K到883 K。图20.显示了针翅片直径的影响冷却效率分布。在 ,横向平均冷却效率增加从0.615到0.705通过增加针鳍从0到0.8毫米直径。在 ,针翅片直径的增加导致的增加横向平均冷却效率从0.908到0.926。总的来说,增加了针翅片直径可以提高冷却性能。

图21显示的影响由孔间距和孔距回水区热侧墙温度分布。在目前的情况下, , ,和 。孔间距的增加导致的减少膜孔的开孔率,恶化了冷却剂的报道。然而,孔间距对温度分布的影响是相反的。图22显示了洞安排冷却效率分布的影响。在目前的情况下,可以提高冷却效率通过增加孔间距和孔间距减少。例如,area-averaged冷却效果降低从0.861到0.806通过增加从6.8毫米到10.2毫米孔间距,但增加到0.875,增加从6.8到10.2毫米的洞空间。

4.3。经验关联

确保采样设计结构将均匀地分布在设计空间,采用正交试验方法,显示在表中3最初,40设计结构获得。动态调整数据的方法来提高预测精度采用样本领域,共有48个设计点终于选为训练样本为目的的经验相关性。

基于计算结果(48×6不同结构不同的工作条件),实证相关开发预测横向平均冷却效率:

在目前的研究中,经验系数 是由遗传算法(GA)优化函数表达的吗 下标“卡尔”和“CFD”表示的值取决于经验相关性和CFD模型,分别。的详细介绍遗传算法提供了参考。36,37]。

MATLAB软件是用于执行遗传算法优化。优化选项中,人口规模是240(15×变量)的数量,大小的比赛方法2.0用于选择操作,一个高斯函数用于变异函数,一个中间的比率1.0用于交叉功能,迁移过程与0.2的分数,有前进的方向和最大迭代步骤是200。图23日(一)展示了最好的健身价值的变异生成步骤。可以发现,随着迭代步骤达到70,健身值稳定近(5.4%)。测试泛化能力,冷却效果实证相关计算与测试样本。如图23日(b),最大相对误差为34.3%,平均相对误差为8.3%。优化后的值 表中列出4。由于众多叠层配置的结构参数和复杂的影响因素,可以包含8.3%的误差要求。然而,与膜冷却相比,拥有更少的参数,四个经验相关性的误差小于2%38]。尽管叠层的经验公式错误配置没有达到这个值,它可以为后续的研究提供参考。

为了验证经验公式的准确性,蒙特卡洛法和均方纯误差(摩根士丹利)分析。经验参数的不确定性分析是用来确定经验系数的正确性。图24显示的灵敏度结果经验参数。在经验参数、结构参数具有最大的整体影响冷却效果,如和 ,而热力学参数对效率影响甚微。通过比较的结果与经验系数不确定性分析,可以发现明显的一致性,表明经验公式的结果很有价值。

5。结论

在目前的研究中,几何和热力学参数的影响在叠层的冷却性能配置详细研究,模型试验和计算结果进行了测试。基于CFD计算结果,实证相关开发。从研究得出了一些有用的结论:(1)以较低的冷却液流量,增加冷却剂流量的增加导致冷却效率。然而,在一个较高的冷却剂流量、冷却剂流量的冷却性能的影响不会变得明显。在目前的研究中,增加coolant-to-mainstream密度比使壁温的降低,但对冷却效率没有明显的影响(2)在同一冷却剂消耗单位面积,增加膜冷却孔直径和针鳍直径导致冷却效果的提高,但冲击孔直径的增加,冲击高度和孔由音调降低了冷却性能(3)研制了一种基于遗传算法的新关联预测的横向平均冷却效率的叠层配置

相关的应用范围 , , , , , ,和 。

命名法

:	销翅片直径(毫米)
:	膜冷却孔直径(毫米)
:	撞击坑直径(毫米)
:	冷却剂密度比主流(-)
:	单位面积上的冷却剂消耗(公斤/米2s)
:	吹比( )
:	冲击高度(毫米)
:	由孔间距(毫米)
:	孔距回水区(毫米)
:	温度(K)
:	速度(米/秒)
:	流向、高空和垂直方向。

希腊符号

:	气体密度(公斤/米3)
:	屏蔽率( )
:	冷却效果( )。

下标

∞:	主流
c:	冷却剂
w:	墙
loc:	本地值
纬度:	横向平均价值
猫:	中心线的平均价值。

数据可用性

的数据表和数据用于支持本研究的结果中包括这篇文章。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

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