气冷涡轮气热耦合的数值研究

摘要

本文对采用10个径向冷却孔的C3X叶片进行了气热耦合的数值研究，冷却气提由底部通道进入并且从上部喷出，在冷却通道运动过程中中与叶片发生热交换，带走热量使叶片体冷却，冷却气体不混入主流，因而不与主流发生掺混，冷却气体对于外流场不会产生影响。为了研究影响对流冷却过程的因素，比较了在不同湍流模型（k-ε，k-ω，Reynolds stress）、网格数量变化，以及考虑了温度变化引起的气体属性变化对气热耦合计算的影响等因素，并与实验结果进行了对比。文中对有转捩模拟能力的湍流模型进行了研究，对转捩模型的计算结果和其它湍流模型计算结果作了比较，结果发现，考虑转捩过程对于叶片表面温度数值预测的准确性大大改善，转捩是影响气热耦合计算精度的非常重要的因素。不同条件下（湍流模型、网格数等），数值计算对于压力的仿真结果相差很小，都与实验值吻合的比较好，只是在激波发生的位置，与实验值稍有差异；k-ε，k-ω和雷诺应力模型对于温度的模拟与实验值的分布趋势是一致的，但几种湍流模型的模拟结果都比实验值偏高一些，其中雷诺应力模型最为理想，说明各向异性的湍流模型可以仿真层流到湍流的转化；气体是热的不良导体，因此考虑气体的热传导率、粘性和比热容随温度变化的情况中，粘性和热传导对叶片温度分布的影响比较小，而热容的影响占主要地位，计算结果要比实验值整体上偏高。