不同端口下单级狭缝引射对冷却气膜影响的数值计算

臧颖恺，陆振华

● （上海交通大学 机械与动力工程学院叶轮机械研究所，上海 200240）

不同端口下单级狭缝引射对冷却气膜影响的数值计算

臧颖恺1，陆振华2

● （上海交通大学 机械与动力工程学院叶轮机械研究所，上海 200240）

狭缝引射是气膜冷却结构中比较重要的一个，多用于船体和燃气轮机的尾气排放装置。但现有对该结构的研究多是整体性能方面，对单级引射结构的引射效果则研究较少。通过对直角、45°角和圆角这三种不同端口以及每种端口下，三种不同狭缝宽度进行数值模拟，得出了引射效果最佳的单级结构、宽度尺寸及该结构的研究方向。

端口；狭缝引射；气膜；数值计算

0 引言

狭缝引射结构是众多气膜冷却[1]结构中的一种，而气膜冷却技术随着现代光电和其它一些高科技产业的发展，也越来越受到关注和重视，特别是现代燃气轮机技术中，燃烧室，高温叶片等都需要用到该技术。虽然产生气膜的结构也存在多种形式，但其中狭缝引射结构对气膜冷却来说，具有很高的实际效用价值。该装置在船体的排气系统，燃气轮机的尾气排放等方面均有运用。现代船体排气系统中，用来降低排气烟羽和排气管道壁面的温度的红外抑制装置，其中一个比较关键的结构就是狭缝引射结构，应用最广泛的是由波瓣喷管和混合管组成的红外抑制系统[2]，所以对此研究具有重要的价值。

实际应用中，针对引射流动的宏观特性，国内外针对引射系统的整体性能及多级引射结构进行了许多研究[3]，但是对单级结构的原理和引射性能，特别是对引射端口形状的研究较少。本文主要针对单级结构下不同端口以及不同狭缝宽度，用数值计算的方法研究每种工况不同风速下的流动特性和气膜作用范围，为该结构以及多级装置的设计提供参考依据。

1 原理简介

狭缝引射其实质是后台阶流动的一种，但是所不同的是，它是后台阶流动中台阶处于开口状态的一种特殊形式，它具有后台阶流动和混合层流动[4]两种流动的综合特性。本文讨论的模型结构原理如图1所示，虽然剪混合层下方的分离泡消失了，但是引射流与主流之间相互混合在引射壁面形成剪切混合层。主流一般是高温高速的混合气体（常为高温乏气或是燃气等混合气体），流经台阶面时，在引射面混合区内形成负压区，周围环境中的气体（一般为环境空气）从引射口（狭缝）被卷吸到混合管中，与主流中的气体进行混合。由于流体的粘性力作用，在高温主流气体与卷吸的冷流体之间形成类似混合层和后台阶分离流动的剪切混合层。在主流与引射流混合发展的时候，混合层会逐渐向引射面上发展，引射流会形成第一个漩涡，然后混合层携带着大量的引射进来的冷流体逐渐向混合管中心区域发展。当达到一定的距离以后，剪切层发展到混合管的壁面附近，由于固体壁面的存在，剪切层重新发展成为边界层流动。在此过程中，混合管中心的流体与卷吸流体之间的混合进一步加强。最终，重新发展的边界层流动伴随着中心区域的流体以比较均匀的温度从混合管出口流出[5]。

图1 引射原理

如果是多级引射（图 2），重新发展后的流体就变成下级引射的主流，然后再次与引射流混合发展，如此多级发展后的最终流体与初始主流相比，温度将大幅下降。

图2 多级引射结构

而本文主要是针对实际应用中的情况，由于引射口的几何形状对引射效果会产生较大的影响，在对单级引射结构进行研究的基础上，重点讨论引射口形状对产生壁面冷却气膜的影响。

2 数值计算

2.1 几何模型参数和边界条件

本文在根据实际使用和实验模型的情况下，主要建立二维几何计算模型。图3是简化后的二维计算模型，根据原理介绍，重点关注引射面上的流动特性，所以对引射面和引射口处细化网格后，多次计算得出较为精确的结果。

图3 数值计算模型

考虑到模型的对称性，实际计算中对模型进行称简化处理。如图4所示是F端面为直角的单级引射结构计算模型，其余两种模型端面局部放大情况如图所示，分别为45°斜角和圆角。

其余边界条件为：1）混合管入口，设定为速度入口边界；2）对称边界；3）壁面边界；4）环境边界，设定为压力出口边界；5）引射面；6）环境边界，设定为压力入口边界。流道宽为120mm，壁面宽度d=6mm。3壁面长度设定 300mm，考虑到尾迹区[6]变化对引射效果的影响，引射面设定800mm。环境边界1000mm×3000mm。由于文献[6]中指出，重叠长度对引射结果影响不大，所以不再对重叠长度的变化作计算研究。设定重叠长度L=30mm，每一种端面模型分三种狭缝宽度δ=10mm,15mm, 20mm，计算并讨论其引射效果。

图4 模型端口局部放大示意图

2.2 计算模型的选用

在对已有的获得三维全尺寸模型的基础上，根据实际情况和实验试件的结构，选取计算模型。由于马会民等在文献[7]中对三维全尺寸模型运用三种湍流模型k-ε、S2A以及k-ω进行了计算模型的分析，认为k-ω模型的计算结果更能接近实际结果，由于本文二维结构也是由三维结构简化得来，所以本文也采用k-ω湍流模型进行计算，其输运方程为：

式（1）和（2）中各参数的意义在文献[8]中均有详细说明。

计算采用控制容积法建立有限差分离散方程，湍流动能、湍流耗散项及动量方程都按二阶迎风格式进行处理，用SIMPLEC算法求解压力和速度的耦合关系。SIMPLEC算法改进了SIMPLE算法中的速度修正值计算式，解决了速度修正不协调一致的问题，其压力可以不必亚松弛，入口速度设定V＝5m/s～40m/s，Re =4107～32854（Re=u0H v）。根据模型运用FLUENT软件进行计算，得出计算结果。

3 数值计算结果分析

3.1 三种不同端口形状

由于有环境大气被引射进入主流，而壁面气膜的产生主要是由引射流造成的，所以引入引射比，并且引射比Φ=G1/G2（G1是引射流流量，G2是主流流量）是判断引射效果的一个重要依据。如图 5所示，是三种不同端口在δ=15mm时的每种风速下的引射比汇总图。由图可以明显看出，圆角的端口的引射比明显好于直角和45°斜角的情况，而且从图5中还可以看出，直角和45°斜角的引射比相差不大，而且在风速为30m/s左右达到峰值，之后随着风速的提高，引射比下降。说明随着主流风速的增加，直角和45°斜角端口的狭缝，引射效果逐渐增强，但不会一直线性增加，因为在引射口区域，会有很大的压力梯度，而主流速度过大会导致引射口负压梯度变大，这样反而阻止了环境气体被引射进入流道，从而阻碍引射效果。但是圆角的端口则该情况不明显。

图5 三种不同端口模型不同风速下的引射比

实际流动中的流场是通过流场中流体的速度场来反应的，由引射原理可知，流体在狭缝口的引射面附近存在着剪切混合层，所以本文通过选用引射面上方0.5mm区（网格节点间隔0.5mm）观察Y方向的速度场分量为0时的延伸长度，可以更直观的观察到剪切混合层的存在，以此来判断气膜的有效长度。图6所示的一组云图中，速度V>0时，表示速度方向沿“+Y”方向；速度V<0时，表示速度沿“-Y”方向。图6是δ=15mm，v=30m/s情况下的三种不同端口的Y方向速度场分量云图。

由图6可以看出，圆角端口的VY=0的壁面延伸长度明显好于直角和45°角端口的情况。再如图7所示，是三种不同端口在狭缝宽度均为15mm的情况下，每种风速下VY=0的壁面延伸长度的汇总图。

图6 三种不同端口Y方向的速度场

图7 三种端口模型不同风速下VY=0的壁面延伸长度

由图6可以看出，也是圆角端口的有效长度明显好于其它两种情况，但是在风速小于30m/s时，有效长度随着主流的风速增加而增加，但当风速大于30m/s时，则均趋于平缓，并没有明显好转趋势。也说明引射效果不会随着风速无限增强。

3.2 不同狭缝宽度

根据3.1结论可知，圆角端口的引射效果要好于其它两种结构，所以取圆角端口在狭缝宽度分别为δ=10mm,15mm, 20mm时，每种风速下VY=0的壁面延伸长度的情况，讨论狭缝宽度对引射效果的影响。如下图8所示。

由图8可看出，10mm和15mm的狭缝宽度的引射效果相差不大，20mm的狭缝宽度的VY=0的壁面延伸长度明显较长，可看出狭缝宽度越大，引射效果越好。说明狭缝宽度越大，引射口的负压梯度不大，越容易使环境气体被引射进主流道，也就更容易产生较好的壁面冷却气膜。

图8 三种狭缝宽度不同风速下VY=0的壁面延伸长度

4 结论

本文通过对不同端面结构，不同狭缝宽度的单级引射结构进行了数值计算，取得了一些具有参考价值的结果：

1）圆形端口结构的引射比明显好于其它两组端口，说明外部环境更容易被引射进流道，能更好的产生冷却气膜。

2）从VY=0的壁面延伸长度的情况来看，圆形端口结构的狭缝引射效果明显好于直角和45°角的端面结构，能在引射面产生较长的壁面剪切层。也说明圆形端口更适合引射结构。

3）端口不变的情况下，狭缝宽度越宽，引射效果越理想，本文中，20mm狭缝宽度下的引射效果要好于10mm和15mm狭缝宽度的两种情况，并且随着风速继续提高，当风速达到30m/s以后，有效引射长度没有明显变化。说明随着风速的不断上升，引射口的负压区对引射效果也有一定的影响。

[1]张小英, 王先炜, 比较研究多种气膜冷却模型的冷却效果[J].航空动力学报, 2002, 4(17): 476-479.

[2]D Fraedrich, E Stark, et al.Ship IR model validation using NATO SIMVEX experiment results[J].Proc.SP IE, 2003, 5075: 49-59.

[3]杜朝辉, 钟芳源.船用燃气轮机排气红外抑制装置的流动分析[J].船舶工程, 1995(6): 25-28.

[4]Brown G.L., Roshko A..On density effects and large structure in turbulent mixing layers luid Mech., 1974, 64:775-816.

[5]柯峰.开口后台阶引射及窄宽度二维台阶绕流的湍流非定常特性实验研究[D].上海交通大学, 2007:8-20.

[6]元晓川, 谈立成, 张会生.狭缝结构对船用排气引射系统壁面温度影响的数值模拟[J].机电设备, 2012(2).

[7]马会民, 陈汉平, 苏明等.三维引射流动数值模拟及紊流模型选择[J].上海交通大学学报, 2006, 40(2):326-330.

[8]李进良, 李承曦, 胡仁喜.精通 FLUENT 6.3流场分析[M].北京: 化学工业出版社, 2009.

2012年度全球船企新船订单排名

据Clarkson统计，2012年韩国STX造船海洋旗下的15个造船厂共获得了116艘298万CGT新船订单，是全球获得新船订单最多的造船企业。

去年现代重工获得了47艘240万CGT新船订单，居第二。大宇造船海洋、三星重工、现代尾浦造船分别获得了21艘111万CGT、22艘106万CGT、56艘106万CGT新船订单，韩国这五家造船厂位居2012年度全球新船订单前五名。接下来，Imabari公司获得45艘87万CGT订单、沪东中华造船获得16艘67万CGT、Fincantieri获得7艘52万CGT、大船重工获得12艘48万CGT、外运长航集团获得23艘41万CGT、外高桥造船获得18艘41万CGT订单。

Numerical Calculation of the Different Port of Single Slit Ejector of Cooling Gas Film Influence

ZANG Ying-kai1，LU Zhen-hua2
(Institution Turbo Machinery, School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Slit ejector is one of the important structures in film cooling.It is used for the apparatus of the ships and the gas turbine exhaust emissions to reduce the exhaust emission temperature and protect the device.Most researches on this structure nowadays are about the overall performance.There are fewer researches which focus on the single ejector structure.Through the numerical simulations of three different ports and three different slit width of the structure, the best result of the single stage ejector structure and width size is given in this paper.

port; slit ejector; gas film; numerical calculation

TU85

A

臧颖恺（1987-），男，硕士研究生。研究方向：流体动力学和流场分析。