三角形涡发生器增强U型通道换热性能研究

（东方汽轮机有限公司，四川德阳，618000）

三角形涡发生器增强U型通道换热性能研究

梁崇治，陶志，宋立明

（东方汽轮机有限公司，四川德阳，618000）

将三角形涡发生器及导叶结构应用于U型通道中，以提高燃气轮机高温叶片内部换热性能。在验证分析方法正确性的基础上，数值研究了采用不同结构时U型通道内的流动及换热特性。与典型的布置斜肋的U型通道不同，三角形涡发生器通过诱导产生下洗涡对，从而有效地强化U型通道的换热能力。而将导叶布置于U型通道转折处，可进一步提高三角形涡发生器在U型通道流出段的换热性能，并降低通道的阻力损失。和典型的布置斜肋的U型通道相比，在不同雷诺数下带导叶且布置三角形涡发生器的U型通道内换热的均匀性显著提高，在通道换热能力相当的情况下，阻力损失显著降低，综合换热性能提高20.0%左右。

三角形涡发生器，U型通道，导叶，强化换热

1 前言

为了提高燃气轮机的热经济性，透平进口温度越来越高，已远远超过了叶片材料的熔点。因此，采用多种高效的冷却技术对燃机叶片进行冷却和热防护是保证燃气轮机安全可靠运行的关键。叶片内部通道肋片扰流冷却是目前常用的冷却方式之一。最早使用在内部通道中的肋片是正方形截面的90°直肋[1]，在气流流过肋片时，在肋片下游产生流动分离和再附，增强了湍流混合，减薄了边界层，从而提高了通道换热性能。Han等[2-3]指出当肋片与主流呈一定角度（如：斜肋、V型肋、W型肋）时，还能产生“肋片诱导涡”，能进一步增强主流流体和壁面低能流体的湍流混合，从而提高换热。Han等[4]研究表明，相比于连续肋片，间断肋片破坏了正常的二次流结构，产生了额外的“诱导涡”，导致湍流混合的增强，从而提高换热。Rallbandi等[5-6]实验研究了波纹状截面肋片的换热和阻力特性，指出圆角导致肋片换热效果的改变并不显著，但是阻力损失降低明显。

除了传统的肋片扰流结构，采用涡发生器强化通道换热性能的研究也得到了广泛关注。Han等[7]实验研究了楔形和三角形涡发生器的换热和压力损失特性，结果表明，三角形肋片和楔形肋片相比，强化换热效果更好，压损更小。Liou等[8]实验研究了在直通道内分别布置12种涡发生器时的换热和阻力特性，指出布置与通道等宽的三角形涡发生器具有最高的等泵功条件下的换热性能和换热均匀性。Henze等[9]实验测量了在直通道内布置单个三角形涡发生器时的换热和流动特性，指出下洗涡对的产生是其强化换热的本质原因，并研究了涡发生器尺寸和雷诺数对换热的影响。Henze等[10]实验研究了一列和一排布置的三角形涡发生器对直通道内的换热特性的影响，指出涡系之间的相互作用是影响换热的主要原因。近年来，在U型通道中布置导叶的研究也逐渐开展。Chen等[11]实验和数值研究了导叶对斜肋U型通道换热和阻力特性的影响，指出导叶对U型通道内换热的改善并不显著，但是明显降低了通道内的阻力损失。Lee等[12]实验研究了不同结构的导叶对U型通道换热和阻力特性的影响。

本文将三角形涡发生器和导叶应用于U型通道中，并在验证分析方法正确性的基础上，数值研究了不同雷诺数下三角形涡发生器及导叶对U型通道内的流动及换热特性的影响，阐明了其强化换热机理。

2 几何模型

为了研究三角形涡发生器及导叶对U型通道内流动和换热特性的影响，构建了3个计算模型。模型1采用文献[13]给出的45°斜肋U型通道，一方面验证本文的数值方法，另一方面作为参考与三角形涡发生器进行对比。另外两个模型中U型通道尺寸均与第一个模型保持一致，U型通道的宽高比为1∶2，截面尺寸为12.7 mm×25.4 mm。模型1中，在U型通道流入段和流出段各布置9根45°斜肋，如图1（a）所示，肋片截面为正方形，肋高e=1.59 mm，肋片间距p/e=10。模型2采用三角形涡发生器来强化U型通道换热性能，在U型通道流入段和流出段各布置8个三角形涡发生器，三角形涡发生器距U型通道进出口距离为6.35 mm，三角形涡发生器间距为15.24 mm，如图1（b）所示。三角形涡发生器的尺寸如图1（c）所示。模型3在模型2的基础上，在通道转折处加装了导叶。导叶的型线为圆弧[14]，尺寸如图1（d）所示。

图1 几何模型

3 数值方法

3.1计算网格

本文采用ICEM软件生成结构化网格。为了保证网格质量，在U型通道转折处采用C型网格划分，在三角形涡发生器区域采用Y型网格划分，在导叶区域采用O型网格划分，其他区域采用H型网格划分，局部网格细节如图2所示。所有壁面附近均进行网格加密，保证离开壁面第一层网格值小于1，以满足湍流模型的要求。经过网格无关性验证，确定3个计算模型的网格数量分别为320万、370万和390万。

图2 计算网格

3.2边界条件

本文以空气作为工质，采用商业软件CFX求解三维稳态RANS方程，湍流模型采用SST k-ω模型。本文所有计算模型的边界条件设定与文献[13]一致。图3给出了带导叶的三角形涡发生器U型通道的计算模型，进口给定速度Ui，静温298.15 K，湍流度5%，出口给定大气压，换热面给定恒定壁温338.15 K。由于在上、下壁面对称布置扰流结构，故计算模型只选取一半，采用对称面边界设定。其余壁面设定为绝热无滑移边界。为了保证数值计算的准确性，在U型通道进、出口处均添加了长度为10倍水力直径的延长段。其中进口速度Ui由当量直径Dh和雷诺数Re决定，即：

本文对雷诺数为10 000、25 000和40 000的3个工况进行了计算。

图3 计算模型示意图

3.3数值方法验证

图4给出了Re=25 000工况下的数值计算得到的斜肋通道区域平均Nu/Nu0与实验值[13]的对比。其中，表征通道换热性能的努赛尔数Nu的定义为：

式中：qw为壁面热流密度；λ为流体的导热系数；Tw和Tb分别为壁面温度和冷却气体进、出口平均温度；Dh为通道进口截面水力直径。

以Nu/Nu0表示强化换热结构引起的换热增强因子，其中，Nu0为相应流动参数下光滑通道中充分发展流动的努赛尔数[13]：

从图4可以看出，计算结果与实验值在趋势上吻合较好，在通道流入段计算结果最大偏大11.0%，在通道流出段计算结果最大偏大8.0%。

图5给出了3种雷诺数下斜肋冷却通道换热面平均Nu/Nu0与实验值的对比，计算值相对实验值分别偏大8.5%、10.5%和10.8%。由于实验[13]中换热测量的不确定性为7%～21%，因此本文所采用的数值方法是可靠的。

图4 Re=25 000时区域平均Nu/Nu0对比

图5 不同雷诺数下通道平均Nu/Nu0对比

4 计算结果与分析

4.1不同结构的换热和阻力特性比较

图6给出了Re=25 000时，布置不同结构的U型通道Nu/Nu0分布云图。相比于斜肋冷却通道，三角形涡发生器冷却通道中的换热分布更加均匀。此外，布置导叶能显著提高U型冷却通道流出段的换热性能。

图6 不同结构的Nu/Nu0分布云图

图7给出了不同雷诺数下，3种结构的通道平均Nu/Nu0分布。可以看出，在3种雷诺数下，带导叶的三角形涡发生器冷却通道的换热性能与典型的斜肋冷却通道相当，而不带导叶的涡发生器通道换热性能略有降低。

图7 不同结构的通道平均Nu/Nu0分布

图8给出了不同雷诺数下，3种结构的无量纲摩擦系数f/f0分布。其中，表征通道中的阻力特性的摩擦系数f定义为：

式中：Δp为通道进、出口压差；u为进口速度；Dh为通道水力直径；L为通道的流向总长度。

f0表示对应光滑通道中充分发展流动的摩擦系数，其表达式[13]为：

图8 不同结构的f/f0分布

从图8可以看出，相比于斜肋冷却通道，采用三角形涡发生器能显著降低U型通道的摩擦系数，而布置导叶能够进一步降低U型通道的摩擦系数。

为了全面评估强化换热结构的换热与阻力特性，定义综合换热性能[13]为：

图9给出了不同雷诺数下，3种结构的综合换热性能比较。可以看出，相比于斜肋冷却通道，布置三角形涡发生器的两种U型通道的综合换热性能均显著提高。3种雷诺数下，不带导叶的涡发生器冷却通道相比斜肋冷却通道分别提高9.8%、6.8%、9.1%。带导叶的涡发生器冷却通道相比斜肋冷却通道，分别提高18.4%、17.1%、21.0%。表明三角形涡发生器和导叶的组合布置能显著提高U型通道内的综合换热性能。

图9 不同结构的综合换热性能对比

4.2涡发生器冷却通道内流动与换热特性分析

U型通道内复杂的三维流动结构对其换热有重要影响。图10给出了布置三角形涡发生器的U型通道内涡系结构。涡发生器诱导产生了反向旋转的下洗涡对，该涡对的两个分支在向下游发展过程中逐渐向两侧分开，最终会向上抬升与上游的下洗涡对卷吸并汇合到一起，并继续往下游运动。在涡发生器的侧壁会形成角涡，角涡沿着侧壁向下游运动，从涡发生器脱离以后，最终与通道侧壁的角涡汇合，且两者旋向一致。这些涡系结构的产生和交互作用产生了强化换热的效果。

图10 涡核结构示意图

图11给出了斜肋和三角形涡发生器通道流向截面的流线分布。在斜肋的下游会产生较大流动分离，这是其流动阻力大的主要原因。而三角形涡发生器产生的纵向涡系结构，对主流的阻滞作用更小，在下游基本上不会产生流动分离区，因而三角形涡发生器具有很低的流动阻力。

图11 流向截面流线

图12给出了流入段4个横截面上的二次流流线和流向涡量分布。下洗涡对形成于涡发生器的顶部，然后沿着顶面下洗运动并不断发展壮大。经过涡发生器以后，下洗涡对在向下游发展过程中，下洗涡对的两个分支逐渐向两侧分开，并且涡对的强度逐渐减弱。从给出的4个截面上均可以看到，通道底面和两侧壁面的夹角处形成了壁角涡，其旋向与对应侧的下洗涡对分支的旋向相反。另外，在涡发生器左右两侧存在范围较大且强度较弱的涡对，这是上游的涡系在下游的延续发展形成的，这会导致下游下洗涡对的强度不断增加，因此使得其换热性能不断加强。

图12 流入段横截面处流线及涡量分布

图13给出了截面3和截面4与通道换热面的交线上的Nu/Nu0分布。交线1和交线2上Nu/Nu0最大的位置与图12（d）和12（e）中箭头所示位置是对应的。在交线1上，换热最强的位置出现在通道中心线附近，而随着下洗涡对向下游两侧发展，换热最强的位置出现在通道两侧下洗涡对分支的涡核附近，如图12（e）所示。这是由于下洗涡对增强了主流流体和近壁面低能流体之间的湍流混合，显著提高了强化换热效果。由于下洗涡对往下游两侧的发展过程中，其强度减弱，故其增强换热的效果有所降低，但是换热性能的横向分布更加均匀。另外，交线2上靠近通道两侧壁面位置出现Nu/Nu0升高，且高于交线1对应位置，这是由于涡发生器侧壁角涡与通道侧壁角涡汇合并共同作用的结果。

图13 不同位置横向Nu/Nu0分布

U型通道转折处流动复杂，导致流出段的流动与换热特性不同于流入段[15]。图14对比了Re= 25 000工况下不带导叶和带导叶涡发生器冷却通道沿流动方向的区域Nu/Nu0分布。可以看出，导叶对流入段的流动与换热特性影响甚微，与文献[11]的结果一致。在流入段，两种通道的Nu/Nu0均逐渐升高，这是由于下洗涡对在向下游运动过程中与上游涡系汇合并逐渐增强所导致的。导叶对流出段的换热有显著的影响，采用导叶使得U型通道转折区域的Nu/Nu0提高约4%，流出段Nu/Nu0提高约17%。

图14 区域平均Nu/Nu0分布

图15给出了不带导叶和带导叶的涡发生器冷却通道转折处的壁面极限流线和压力分布。从图中可以看出，导叶抑制了转折处流动分离的发生，从而降低了流动阻力。气流经过通道转折区域时，发生冲击、偏转、流动分离，导致流线向流出段内侧偏移。而安装了导叶以后，气流方向与通道中心线平行，更加有利于下洗涡对的形成与发展。

图15 转折处极限流线和压力

图16给出了不带导叶和带导叶的涡发生器冷却通道的二次流涡核结构。采用导叶结构后，削弱了气流180°转折导致的复杂二次流结构，增强了流出段下洗涡对靠近通道外侧的分支的强度，使得下洗涡对的强度和对称性得到明显提升，因而具有和流入段相似的分布。

图16 U型通道二次流涡核结构

5 结论

本文采用数值方法，对不同雷诺数下布置导叶及三角形涡发生器结构的U型通道的换热性能及阻力特性进行了研究，主要结论如下：

（1）在不同雷诺数下，不带导叶和带导叶的三角形涡发生器U型冷却通道的综合换热性能均优于斜肋U型通道。相比于典型的斜肋U型通道，带导叶且布置三角形涡发生器的U型通道内的换热均匀性显著提高，并且在换热能力相当的情况下，阻力损失显著降低，综合换热性能提高20%左右。

（2）三角形涡发生器通过诱导产生下洗涡对，增强了主流与近壁面低能流体之间的湍流混合，能有效强化U型通道内的换热性能。另外，不同于斜肋结构，三角形涡发生器产生的纵向涡系结构，对主流的阻滞作用更小，且不会导致下游分离区的产生，从而显著降低了流动阻力。

（3）U型通道转折处的流动非常复杂，在U型通道的转折处布置导叶，可以明显改善转折处的流动，显著提高布置三角形涡发生器的U型通道流出段的换热性能，并进一步降低通道内的流动阻力损失。

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Study on Heat Transfer Enhancement of U-shaped Channel Equipped with Delta-shaped Vortex Generator

Liang Chongzhi，Tao Zhi，Song Liming
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

In order to improve the heat transfer performance in gas turbine blade internal cooling system,the delta-shaped vortex gen⁃erators and turning vane are used in the U-shaped channel.Upon numerical validation,the flow and heat transfer characteristic of the U-shaped channel equipped with different structures are analyzed.Unlike the U-shaped channel equipped with typical angled ribs, the delta-shaped vortex generators can effectively enhance the heat transfer capability in the U-shaped channel by inducing downwash vortex pairs in the flow passage.Then,by adding a turning vane at the turning of the U-shaped channel equipped by vortex gener⁃ators,the heat transfer capability in outlet channel is further improved,and the friction loss in the passage is reduced.The uniformity of heat transfer in U-shaped channel equipped with turning vane and delta-shaped vortex generators is significantly improved at differ⁃ent Reynolds numbers,when compared with that of the U-shaped channel equipped with typical angled ribs.Provided that the heat transfer enhancement in flow passage of U-shaped channel is equal,the friction loss of the former design equipped with turning vane and delta-shaped vortex generators is significantly reduced.Consequently,the thermal performance of the former design is increased by 20%.

delta-shaped vortex generator，U-shaped channel，turning vane，heat transfer enhancement

V232

A

1674-9987（2016）04-0018-07

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.04.005

梁崇治（1977-），男，工学学士，工程师，毕业于西安交通大学热动力专业，主要从事热动力机械设计、质量管理工作。