带锥形孔的矩阵冷却通道流动换热多目标优化

摘要

为了降低内部冷却通道气流的流动阻力、加速冷气局部流动、增强肋壁附近的涡流扰动从而增强换热，针对某新型的涡轮叶片内部矩阵冷却结构在肋板处添加了收缩型锥形孔，构建新型锥孔肋矩阵冷却通道，并进行了多目标优化设计。采用雷诺平均Navier-Stokes方程（RANS）数值模拟研究了该结构肋间距与肋宽的比值k、肋倾角α、锥角β对流动换热的影响规律；建立了努塞尔数和摩擦因子的响应面预测模型，并分析了模型的有效性；通过非支配排序遗传算法-Ⅱ（NSGA-Ⅱ）结合逼近于理想值的排序方法（TOPSIS）寻优，获得了研究参数范围内的最优结构。研究结果表明：两个目标函数的响应面预测模型的平均误差分别为0.967%、2.182%,最大误差分别为3.063%、4.517%。在Re为5 000、热流密度q为2 000 W/m²的条件下，最佳结构参数为：k=2.461,α=54.774°,β=1.415°。优化后的矩阵冷却通道与光滑通道的无量纲努塞尔数的比Nu/Nu₀和摩擦因子的比f/f₀以及综合换热系数F的误差分别是0.32%、3.38%和1.51%,表明优化方法是有效的。收缩型锥形孔促进了下游涡系的产生，有效降低流动阻力的同时增强了换热均匀性。优化结构相比原始结构的Nu/Nu₀提升了6.37%,f/f₀下降了17.69%,综合换热系数F提升了13.43%,实现了冷却性能的提升。

关键词

矩阵冷却 / 涡轮叶片 / 多目标优化 / 锥形孔

基金资助

陕西省自然科学基础研究计划资助项目(2024JC-YBMS-345)