气冷涡轮环形叶栅三维流场的实验与数值研究

　　1引言

　　随着涡轮入口温度的提高，涡轮叶片气膜冷却技术越来越重要。由于喷射冷气的引入，涡轮内部流场结构变得更加复杂。尤其是采用离散孔形式喷射冷气时，导致了一种极为复杂的三维流场结构。了解射流与主流的掺混机理有助于在气膜冷却中抑制射流对主流的穿透，提高冷却效率。

　　由于客观条件的限制，国内外许多实验研究都是基于平板、曲面和平面叶栅进行的。随着计算机技术的快速发展，CFD数值模拟技术受到越来越多研究者的重视。Garg和Bohn采用数值计算的方法研究了叶片前缘气膜孔附近的流动特性[l，2]。Perry实验研究了平板上射流与主流掺混的反向涡的形成，见文献【3}。国内学者对平板和平面叶栅内冷气射流的流场也做了大量的计算和实验工作阵一6}。本文采用4种不同的湍流模型对叶片表面带有小孔射流的环形涡轮叶栅内部流场进行数值计算，同时，将计算结果与单斜丝热线的实验测量结果进行比较，研究不同湍流模型对计算结果的影响。

　　2叶片模型及实验测量位置

　　实验和数值计算的叶片模型采用某型号涡轮叶片，如图1所示。叶片压力面和吸力面各开了一排(3个)孔，孔径D一2mm，孔间距为孔径的3倍，孔喷射角度为900。为了便于研究射流对主流的影响，本文在实验和数值计算中吹风比M均取为2。

　　分别以叶片压力面和吸力面上中间孔的圆心为起点，沿孔下游取5个测量面(L/D=o、1、3、5、s)，测量面垂直该处叶片弧线切线方向，热线实验具体测量位置如图l所示(L表示沿叶片弧线方向距离孔中心的距离，S表示测量面上任意点距离叶片表面的距离。

　　3数值计算模型及网格

　　本文采用商业CFD软件NUMECA，选用4种不同的湍流模型分别进行计算:Baldwin一Lomax模型、Spalart一Allrnaras模型、无一:(Extended从、11Fuetion)模型和秃一:(LowReYang一Shih)模型(以下分别简称为B一L、S一A、无一:EWF和k一:LRYS)。

　　数值计算模型采用图1所示涡轮叶片。在划分网格时，叶片第一层网格夕+值取1，孔周围网格采用局部加密处理，网格总数在80万左右。以守恒形式的有限体积法进行空间离散，采用中心差分格式，时间采用四阶显式Runge一Kutta求解方法。为了加速收敛，采用了多重网格和隐式残差平均化技术。计算边界条件设置为:进口给流量，静温;出口给静压，固体壁面给定无滑移条件。叶片内部小孔的进口给流量，静温。壁面为绝热壁面条件。

　　4结果与分析

　　图2和图3给出了吸力面和压力面侧沿孔心(X/D=0)下游不同位置(L/D=1、3、s)的三维平均速度分布，同时，将不同湍流模型的计算结果与热线测试数据进行了对比口(图中巧为小孔射流速度，砚、巧、从为沿坐标轴X、Y和Z方向的平均速度)。