复合冲击冷却特性的数值模拟研究

伴随着燃气轮机等动力设备上热效率的不断提高，热端部件承受的温度不断攀升，导致冷却技术成为制约燃机热效率及叶片入口初始温度的关键性问题。典型的冷却技术主要包括气膜冷却、冲击冷却和强化对流冷却三大类，冲击冷却是所有传热强化技术中提高局部换热系数最有效的方法，因而在燃气轮机高温部件的冷却问题中被广泛采用。喷雾冷却是一种利用相变来获取更高换热强度的冷却技术，目前其研究正处于蓬勃发展时期，将冲击冷却的空气冷却剂中加入雾化液滴，利用冲击/喷雾复合冷却来提高冷却效率，研究影响冲击/喷雾复合冷却的影响因素，可为设计冲击冷却结构，降低高温部件热载荷提供有效的指导依据。 基于此背景以及某重型燃气轮机燃烧室过渡段几何模型结构特点，本文采用计算流体动力学（CFD）数值模拟的方法，对过渡段双腔室简化模型进行流场、热场、压力场的仿真分析，探索冲击/喷雾复合冷却流场换热特性及规律，为减少实验成本、缩短研制周期，提供结构设计的参考依据。主要研究内容如下： 首先，验证关于气膜/喷雾复合冷却强化换热的参考文献中结论的正确性及有效性，还原喷雾冷却数值模拟，获得喷雾冷却的数值计算方法； 其次，基于燃气轮机燃烧室过渡段实际三维几何模型，建立简化的双腔室复合冷却流场分析的物理模型，并采用Realizable k-湍流模型对流体流动进行数值模拟； 然后，采用FLUENT软件中的离散相模型，对空气冲击冷却中引入雾化液滴，并分别针对单孔平板模型、多孔曲面模型研究冲击/喷雾复合冷却的强化换热特点； 最后，将冲击靶面的曲率、冲击腔室内的扰流柱结构等两种不同冷却结构，作为影响壁面冷却效率的因素，进行流场热场耦合分析，并对扰流柱参数进行优化求解。研究了冲击/喷雾复合冷却在不同冷却结构中的流场特性，冲击靶面冷却效率得到了提高，获得了强化换热效果。 本文运用数值模拟的方法，对过渡段双腔室简化模型中，冷却腔室内流场流动情况进行了研究，探讨了冲击/喷雾复合冷却下冲击靶面温度分布情况，以及不同冷却结构下流场换热情况。雾化液滴的加入，使冲击冷却的冷却效率得到了提高。仿真分析的结果，对工程应用中过渡段结构造型设计以及类似结构的改进起到了有效的指导与参考作用。