圆角與出流孔對渦輪機葉片平行四邊形內冷卻流道紊流與熱傳之影響

摘要

本文采用数值方法探讨了圆角(Fillet)与出流孔(Bleed Hole)对光滑平行四边形双通道之紊流流场与热传之影响.流道截面之平行四边形边长均为45.5mm,相邻夹角分别为45度和135度.圆角半径的变化范围为0到0.2倍水力直径.另外,对于有出流孔的情况,其出流质量比(Bleed Ratio)固定为0.16.本研究中,雷诺数均固定为10,000.考虑到计算的成本、精度和稳定性,模拟过程中所采用的方法为雷诺平均的拉威尔斯托克斯方程(RANS),紊流模式为低雷诺数的k-ε模式.为保证计算结果的可靠性,首先将计算结果与先前红外线量测的结果进行了验证,结果确认合理后再进行后续的模拟.后续模拟结果以局部纽塞数(Nusselt Number)分布、近壁面流场、跨向平均压力分布、范宁摩擦因子(Fanning Friction Factor)、面积平均纽塞数和热性能系数(TPF)等方式呈现以便阐明热传增益的机制.计算结果表明当无因次圆角半径Rf/Dh超过0.05时,Rf/Dh对面积平均纽塞数之增益低於1％,但可以显着的减小压损从而提升TPF达28％.同时,出流孔的加入虽然对面积平均纽塞数增益低于2％,但其也明显的降低了压损,有助于18％的TPF提升.