涡轮叶片前缘双旋流冷却流阻及换热特性的大涡模拟

刘学斌; 宋立明; 于博阳; 陶志; 李军

西安交通大学学报 ›› 2025, Vol. 59 ›› Issue (3) : 34 -45.

刘学斌, 宋立明, 于博阳, 陶志, 李军

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摘要

为了厘清双旋流腔室内的换热特性及高流阻的损失机理，在相同冲击雷诺数(Re=10 000)下，采用高精度的大涡模拟数值方法对比研究了双旋流冲击冷却和传统垂直冲击冷却方式的流阻及换热特性。以时间平均的努塞尔数分布评估了冲击靶面的换热特性，以三维流线和Q准则等值轮廓图分析了冲击腔室内的流动和涡系分布特征，采用综合换热系数对比评估了两种冷却方式的综合换热性能。模拟结果表明：双旋流冲击在靶面形成的高速强剪切流动是强化对流换热的主要原因，而旋流交叉流动带来的换热增强并不显著；相较于垂直冲击冷却，双旋流冲击的靶面努塞尔数分布更加均匀且高努塞尔数区沿展向分布范围更宽，前缘周向平均的努塞尔数在各个流向位置都有显著提升；双旋流冷却腔室内的中心旋流区出现了较大的流向涡量，导致中心旋流区的总压降较为显著；整个双旋流腔室的面平均努塞尔数相较于垂直冲击冷却提高了11.90%,即便在总压降提高了38.32%的情况下，其综合换热系数相比垂直冲击冷却仍提高了0.42%。