郑杰;朱惠人;赵曙;梁卫颖
【摘 要】In order to investigate comparatively the influences of six turbulence models and two wall functions. On heat transfer of rotating turbine blade ribber S-bend passage, the flow rules of ribber S-bend passage are ana lyzed , and the heat transfer of pressure-wall and suction-wall are discussed. The results show that: the calculated results of different turbulence models differ a lot under the same boundary conditions, and different near wall treat ment functions can have an effect on the calculated results. Some turbulence model' s calculated results are only satisfied in some area of the passage. However, in the absence of turbulence models with good universality, the cal culation technique with different turbulence models and near wall treatment functions for different domain is a feasi ble solution in simulating the heat transfer of passage.%应用数值模拟的方法研究了6种不同湍流模型,以及2种壁面函数对旋转状态下涡轮叶片S型带肋回转通道内部换热特性的影响,分析对比了S型带肋回转通道内部的流动规律,以及压力面和吸力面的换热情况.结果表明:在相同 金属丝的杨氏模量边界条件下不同湍流模型的计算结果有很明显的差别,并且不同的壁面处理函数对计算结果也是有很大的影响；某些湍流模型的计算值只是在某个局部区域较为理想,在尚无普适性较好的湍流模型的情况下,研究在不同计算域和不同计算模型下采用不同湍流模型和壁面处理函数的计算技术,是一种较好的可行的方案.
【期刊名称】《科学技术与工程》
【年(卷),期】2012(012)009
【总页数】糖果制造6页(P2090-2095)
【关键词】S型回转通道;湍流模型;换热;壁面函数
【作 者】郑杰;朱惠人;赵曙;梁卫颖
【作者单位】西北工业大学动力与能源学院,西安710072;西北工业大学动力与能源学院,西安710072;西北工业大学动力与能源学院,西安710072;西北工业大学动力与能源学院,西安710072
无机抗菌剂
【正文语种】顺桨中 文
【中图分类】V232.4;V231.13
在现代燃气轮机叶片中，冷却空气流经叶片内部的冷却通道冷却叶片，为了维持叶片的工作强度，这种冷却是必须的。冷却空气在叶片内部的通道内流动，将其从高温燃气中得到的热量带出，以保证叶片工作强度和材料的寿命。对于静止叶片来讲，影响冷却气流流动及其特性的原因有冷却气流流动的湍流度、热物性的变化以及通道表面粗糙度和通道几何形状特性等。目前对于静止状态下叶片通道内的流动换热试验研究已经作得比较完备，而对于转子叶片，除了上述的因素外，旋转带来的重要影响是不能忽略的，高速旋转条件更加接近叶片工作的实际状态，因而对该状态下的研究也更加有价值。旋转运动产生的哥氏力和浮升力会改变流场的分布情况，从而影响换热分布。国内外部分研究者对旋转状态进行了实验的研究。国际上，Zhang N.和 Chiou J.等人［1］研究了带肋矩形界面内蛇行通道的换热特性。Wagner等人［2］通过研究指出，在旋转通道中叶片吸力面和压力面表面的换热是不均匀的，更具体地说，在他们研究的径向外流的正方形通道中，叶片压力面的传热效果随转速的增加而增加，而吸力面的传热效果则减小。Dutta和Han等人［3］也用
旋转的正方形通道确认了尾缘和前缘表面传热系数的不同。当研究者发现旋转对传热的影响的同时，也不断总结旋转带来的流场的变化，以及随之带来的传热特性的变化。M.Elfert，M.P.Jarius和 B.Weigand［4］用 PIV 技术研究了无旋转和旋转两种情况下含180°转弯双通道带肋通道中详细的流动。Soogn等［5］在矩形通道的换热中考虑了旋转引起的二次流的影响。Fred Twillett［6］研究了矩形通道中扰流柱排的旋转对换热的影响。国内在这方面的研究很少，邓宏武、陶智，等人［7］研究了旋转状态下有转角带肋U形通道的前缘、后缘及两侧局部换热系数分布，以及无转角时的比较。邓宏武，魏喆等人［8］在已有的实验研究结果的基础上，应用与实验结果符合较好的数值模拟程序及划分网格法，分别数值计算了旋转产生的几个因素对流动与换热的影响机理。由于文献中对旋转状态下S型带肋回转通道的研究还比较少，现针对不同湍流模型对旋转状态下S型带肋回转通道内部换热特性计算结果的影响展开分析与研究。
1 计算方法
1.1 计算模型和边界条件
研究的内冷通道的截面图如图1和图2所示。通道1和通道3为梯形通道，通道2为矩形通道，
气流由第一个通道的入口流入，分别从出口1、出口2和尾缘出口3流出，出流比为1∶2∶1，在压力面和吸力面交错分布有肋片。进口的质量流量minlet=0.006 229 kg/s，出口1的质量流量moutlet1=0.001 559 kg/s，出口2的质量流量moutlet2=0.003 195 kg/s，根据质量流量的守恒定律，尾缘的出口设为压力边界条件poutlet3=0.1 MPa，主流温度为330 K，旋转半径 R=667 mm，雷诺数 Re=17 625，旋转雷诺数 Rew=1 550，旋转数 Rc=0.087 9，所有壁面沿中心轴的旋转的角速度 Ω=141.7 rad/s，根据右手定则，模型在CFX中角速度应该为负值，这样才能满足旋转方向一致(从压力面向吸力面)。
切削工具
图1 计算模型
图2 计算模型A－A截面示意图
1.2 网格划分
采用结构与非结构的混合网格，为了满足近壁处的壁面函数和计算精度的要求，对近壁面处附加边界层网格。由于内通道内交错布置着肋片，对于肋的位置和通道转弯的地方进行了局部加密，对尾缘出口3进行了O型网格剖分。经过网格无关性分析，最终采用的计算网格数在500万左右，并且y+＜1。
1.3 湍流模型
应用CFX软件计算了6种典型的湍流模型(KEpsilon，RNG K-Epsilon，SST，BSL，k-Omega，Eddy Viscosity Transport Equation)，由于湍流模型的方程源项的差异造成计算结的差异，以下详细比较旋转状态下回转通道用不同湍流模型的计算结果。
1.4 壁面函数
实验和数值模拟分析研究发现在壁面近壁区分为两层，在最里面的一层称为层流底层，或者黏性底层，在这个区域的流动几乎都是层流，而且分子的黏性在这个区域的换热和流动中起主导作用。离壁面较远的一层称为对数层，在这个混合的过程中湍流起主要作用。在对数层和黏性底层之间的区域称为过渡层，湍流和分子黏性对这个区域的影响作用是相当的，图3给出了近壁区流动特性示意图。
图3 近壁区流动示意图
在CFX中，Scalable Wall Functions这个壁面函数应用在湍流耗散率为ω方程的湍流模型中(KEpsilon，RNG K-Epsilon，Eddy Viscosity Transport Equation)，而基于湍流耗散率 ω
方程的湍流模型(SST，BSL，k-Omega)的壁面函数是 Automatic Wall Functions。
2 计算结果分析
鸟笼的制作2.1 湍流模型对流场计算的影响
旋转状态下回转通道内部的哥氏力、离心力和浮升力的共同作用使得流场发生了复杂的变化。表1给出不同湍流模型下平行于回转通道压力面的XZ中截面的速度云图和流线图，从图中可以看出在通道1靠近叶顶和前缘的位置，RNG KEpsilon，SST，BSL，k-Omega模型计算出了此处的死区涡，而 K-Epsilon和 Eddy Viscosity Transport Equation模型在速度云图上虽然可以看到死区位置的速度很低而且范围相对较大，但观察不到此处的涡。通道1和通道2的转弯处，由于弯道效应，此处应有涡产生，从表1的流线图中都可以观察到涡的存在，而且从图中的流线可以观察到通道2中的流动在不同湍流模型下基本类似。在通道2和通道3的外侧转弯处，由于流动方向的突然转变，RNG K-Epsilon，BSL模型中计算出在弯道外侧的涡流，虽然RNG K-Epsilon是基于重正规化K-Epsilon模型分析N-S方程，输运方程与标准KEpsilon模型的一样，但是模型中的常量不一样，它考虑到了湍流涡，并且RNG理论为湍流Prandtl数提供了一个解析公式，然而标准的K-Epsilon模型使用的是用户
提供的常数，因此K-Epsilon模型没有计算出此处的涡。并且其它3种模型观察不到此区域的涡，并且从此处的流线可以观察到不同模型的计算出通道内部的流动方向也是不一样的。在通道3中可以观察到靠近通道内侧的区域有一大片低速区，而且不同湍流模型计算出此处的流动差异比较大，从表1中可以观察到，此区域的速度分布也有所差异，由于 K-Epsilon，RNG K-Epsilon Eddy，Viscosity Transport Equation模型中的湍流耗散方程为ε方程，而SST，BSL，k-Omega中的湍流耗散方程为 ω 方程，因此K-Epsilon，RNG K-Epsilon，Eddy Viscosity Transport Equation比 SST，BSL，k-Omega模型此处的低速区域相对大一些，而且在通道2和通道3内侧弯道处产生的涡比较靠近弯道。
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