大涡模拟倾斜圆射流发行成横流

大涡模拟倾斜圆射流发展成横流E.Sakai⇑,T.Takahashi,H.Watanabe摘要对燃气涡轮叶片气膜冷却邻域的理解，本文研究了一系列倾斜园射流的横流的大涡模拟。基于横流速度和膜冷却孔直径模拟了四种吹风比BR=0.1，0.5，0.7，1，在雷诺数，Re=15300下。结果表明，所述冷却射流结构随吹风比急剧变化。BR=0.1时观察到一对后涡和发夹涡，BR=0.5时一个马蹄涡周期性的喷出，观察到一对悬涡、一对后涡和发夹涡。BR=0.7时观察到与BR=0.5类似的涡结果，虽然马蹄涡没有周期性的喷出，只停留在孔的前缘出口。对于BR=1，除了前面提到的旋涡，在射流的上游观察到剪切层旋涡和垂直条纹。因此可以了解，无处不在反其中所用的时间平均流场可以观察到旋转涡对实际上是起源于不同的涡结构具有不同BR条件。温度场进行了研究澄清这些不同的涡结构如何影响薄膜冷却效果。据此了解：可以在匀速流场可观察无所不在的反向旋转的涡流实际上起源于不同BR值的涡。温度场也被研究，以阐明这些不同的涡结构如何影响薄膜冷却效果。简介横向射流是一个高度复杂的湍流流动，在各种各样的技术问题中有应用，包括烟羽扩散，控制导弹，燃烧器燃油喷射和涡轮和燃烧室气膜冷却。在燃气涡轮机中使用的膜冷却，冷却剂被喷射到热的横流作为横流射流。冷却液形成薄薄的一层在涡轮叶片，保护直接暴露在热横流中的表面。人们已经认识到，当射流排到横流，存在射流和横流之间复杂的相互作用，导致复杂的旋涡结构，对气膜冷却效果形成强有力的影响。从纵向流到横流，通过Fric等人圆射流的流动可视化。将涡流结构分为四类:马蹄涡，切变喷流涡流层，被唤醒和反向旋转的涡对（crvp）。四种涡流中最重要的是(crvp).它往往是在匀速流场能观察到同射流轨迹对准的远方区域。该CRVP众所周知的作用是通过促进两个射流剥离并朝着壁的热横流卷吸以显著降低薄膜冷却效果。因此，为了开发高效薄膜冷却技术的燃气涡轮叶片，通过它厘清CRAP如何在流场形成是重要的。虽然大量的实验和数值研究已经放在了解CRVP的形成过程中，它的起源仍然是很多争论的主题。发表了一系列的圆射流通常为横流在较高吹风比和低雷诺数的大涡模拟，他们认为CRVP起源于发展射流和横流之间一对挂涡在扭曲的混合层。然而，Tyagi等人,进行了倾斜圆射流发展成横流在相对较低的吹风比（BR=0.5）和高雷诺数的大涡模拟(Re=15,000)。它们清楚地显示出形成在横流和射流的下游接口的发夹涡流，并得出结论，发夹涡是CRVP的原点。最近，福塞特等，实验观察喷射射流的结构，结果表明，射流结构的变化与吹风比相关。根据这些研究，形成旋涡，以及对CRVP起源都随吹风比的变化。本文拟就一系列倾斜圆射流发出成横流的大涡模拟发表报告。模拟四个吹风比。本文的重点是研究流场中大尺度非定常涡结构的发展，了解这些结构在不同吹风比的CRVP形成的的影响。以及这些涡结果对冷却效果的影响。2.计算方法2.1制方程本研究中使用的计算代码是一个NuFD/FrontFlowRed-extendedbyCRIEPI。控制方程是网格过滤，守恒方程，可压缩Navier-Stokes方程，能量方程和理想气体方程：̃(̅̅)(1)̅̅(̅̃̃̅̃)(2)（̅̃）(̅̅̅̅̃)(3)̅(4)在这里，一条线在一个变量，ϕ，表示格子滤波量，通过可变波浪线，ϕ，表示平均数量。τ公式（2）为剪切应力张量，对于牛顿流体由下式给出：̃̅̅(5)τandτinEqs.（2）及（3）代表子网格规模的影响，并使用由Germano的动态亚格子模型[7]如下所示进行仿真建模：τ̃̃̃̃(6)ττ̅｜̅｜̅(7)τ̅(̃̃̃)̅|̅|̃(8)(9)式中，D是滤波器的频带。该Smagorinsky常数，Cs被由Lilly公司[8]中提出的方法确定的。用于模拟的稳定性，C是在0湍流Prandtl数限幅，Prt，被设定为0.4[9]。是速率的应变张量，并且可以写为：̅̃̃(10)计算采用低马赫数近似与温度相关的密度进行。N-S方程对流项和能量方程的二阶中心差分格式离散。对于模拟的稳定性，一阶迎风格式对N-S方程混合2%和10%的能量方程。该解决方案是先进的时间使用一个一阶欧拉隐式方案。基于先前的研究[10,11]使用相同的代码，可以说，在这项研究中采用的离散方案适用于涡旋的预测。通过简单的算法求解离散方程。统计数据的平均计算结果之间的时间步长为80001和150000。无量纲时间步长，δt∗δtUc/d是1.6×1−.2.2．计算域和边界条件图。1显示了计算领域。图。图1（a）和（b）所代表的结构域为主要的模拟和验证，分别为。薄膜冷却孔出口的特写视图显示在图图1（c）。为主要的模拟计算域，域A中，由一个横向流通道和薄膜散热孔。孔直径d为12.5毫米，而孔为35°倾斜相对于该横流。该孔的长度，L为5.23d。横流通道25D长，宽为3d和5d高。将x，y，z轴取为流向，横向和垂直于横向流通道的底壁。轴的原点是孔出口的后缘。网格的数量约为7.6×16的横向流通道，和2.0×16中的冷却孔，分别为。由于模拟运行这项研究需要大量的计算机时间（约80000000秒的运行），网格分辨率的研究是不切实际的。相反，我们比较了计算结的精确实验[12,13]，验证了计算程序和本研究中所用的网格。为了这个目的，使用域B。域B拥有气膜冷却孔5D长，宽5D和5D高，长度的气室区为3.5D[12,13]。由于实验在紊流边界层的条件下进行，1毫米高的正方形跳闸线被安装7.5d冷却孔出口处，使紊流边界层到前缘的上游。横向流通道的网格的数量约是9.8×16，2.0×16在冷却孔，和1.3×16在气室部。需要注意的是域B的横向流通道是2.5D比域A的长。表1横流边界层特征。对于这两种域A和B中，横向流通道的底壁的表面网格的Y+是小于1的并且在该孔下游区域的横向流通道的网格分辨率约为200×110×160。在横向流通道的入口，充分发展的层流的速度分布是两个域施加的。横流边界层的特性，动量厚度和位移厚度，膜冷却孔前缘的二维上游显示在表1。有在仿真和实验中的湍流外壳之间的交叉流动边界层的厚度一些差异。的差异导致在速度和湍流特性的分布的轻微差异。但计算结果如后所述充分同意实验。在交叉流动通道的出口处，静压设定为恒定的。均匀的速度分布在该域A中的气膜冷却孔的入口是被强加的，并且在为域B的气室部的入口周期性条件是在在横向方向上的横向流动通道强加的。所有的墙壁都是绝热和防滑。横流，Uc的平均速度为20米/秒。根据平均横流速度和冷却孔直径的雷诺数，Re=Ucd/v是15300。该模拟是在吹比,BR=U/cUc为0.1，0.5（基本情况），0.7和1.0下进行的。横流的温度为Tc=298K，且冷却剂射流的主要的模拟温度是T=298K或295ķ。密度比，DR=/c，是在主要模拟1.0。作为用于验证，横流和冷却剂射流的温度是对速度和湍流[12]的比较两个298K时。与此相反，对于薄膜冷却效率的比较，横流和冷却剂的温度分别是298K和188K表[13]。512核心并行计算中使用进行标量处理计算机（的SGIAltixICE）的CRIEPI。3。结果与讨论3.1。验证验证，速度分布，湍流强度，和雷诺应力是与通过Pietrzak等人的实验[12]，如图5所示2。此外，薄膜冷却效率，η（TcTw）/（TcT），对y/d=0和横向平均的薄膜冷却效率，G的中心，也由该等人的结果比较[13]。Tw绝热壁温的地方。如图3和4展示验证的的结果。图3（a）-（k）的相当于图的线条。2.虽然湍流强度孔出口的上游是在实验中略微比较大，速度和雷诺应力的轮廓充分同意实验。此外，薄膜冷却在横向流通道和所述的中心线有效性横向平均气膜冷却效率与吻合实验（参照图4）。因此，计算代码和网格被判断为是足够的。3.2。围绕孔出口涡结构（BR=0.5）图5显示了p的等值面可视化的涡结构在BR=0.5孔出口附近。附近的孔的前缘，一个马蹄形涡，它具有正的横向涡度，，形成。定期生成的马蹄涡和向下游脱落。在与喷射协会马蹄形涡流，伴随涡旋，其中也有正面横向涡度，+，将产生。由于伴随涡旋的旋转方向是相同的，以该马蹄形涡流，在横流的边界层的涡可能与所附涡流的产生。图6（a）显示马蹄涡的弹射过程。P等值面是由的标志色。反旋涡的形成，它具有负的横向涡度-，显然是立即显示上游的马蹄涡。由于反旋涡的增长，它推出来的马蹄涡，导致在周期运动的马蹄涡。图。图6（b）显示的是d的中心平面无量纲温度，（）（TcT）/（TcT）。其中T是主冷却剂流之间的混合空气的温度。为了检测横流和冷却剂射流之间的界面，将冷却剂的温度被设定为295度（比横流温度少1％）。在图6（b）中，显而易见的是，冷却剂的空气由穿过马蹄涡流入计数器涡流。因此，计数器涡流具有以下功能：以冷却围绕孔出口的前沿的壁面。形成的射流由于射流和横流之间的开尔文-亥姆霍兹不稳定侧向边缘（参照图5）的一对吊旋涡。对流向涡将悬挂涡旋处于+y区域阴性，而在正-y区域。从圆形喷射发证成横流的详细调查，Yuanetal.[3]报告说，悬涡流生长在平均对流速度的方向。但是以目前的结果，该吊涡流成长几乎平行于壁，并且朝向不影响喷口的中横流[见图所得速度的方向一致。图7（a）〕。喷出的冷却液在孔出口的后缘处分离。其结果是，低压区和一对后旋涡产生的冷却孔出口下游[见图7（b）]。后向涡的旋转方向与悬涡的旋转方向相同。由于悬挂的旋涡增长到附近的壁面附近的低压力区域和后旋涡向下推垂向壁面，悬挂的旋涡的方向应该是平行于墙上的。·在冷却剂喷流的下游边缘形成发夹旋涡[5]中，具有正的横向涡流。3.3。在涡结构BR的影响图。图8（a）-（C）代表了的ISO面为BR检测到的涡结构分别=0.1，0.7和1.0。首先，我们将讨论涡结构的变化，当从BR=0.5的吹风比增加。在BR=0.7的结果，观察到类似的涡结构为BR=0.5。但在这种情况下，该马蹄形涡流是准稳态，并停留在孔出口处的前缘附近。此外，垂直条纹围绕孔出口的前缘产生的。当不规则的或扭结的马蹄形涡流在垂直方向由局部应变场拉伸，以类似于中射流剪切层观察到条纹的形成方式形成[3]。当吹送比增大为BR=1.0，剪切层的涡流，具有负侧向涡，由于开尔文亥姆霍兹不稳定开始在冷却剂射流的上游端将形成。类似于BR=0.7的结果，垂直条纹在各切变层的涡流中形成的。图。9示出了在中心平面用于BR=1.0的无因次温度的瞬时图。可视化的横流和射流之间的边界的冷却剂的温度设定为295K。显而易见的是，剪切层涡流较早在上游剪切层比在下游侧的剪切层，其中，涡旋卷起来会延迟形成。图10显示的时间平均速度梯度在中心线的0。可以看出，随着吹风比剪切层中增加流速梯度的大小。因此，剪切层涡应该是比较高的吹风比由于开尔文–亥姆霍兹在不稳定的剪切层的速度梯度引起的大量产生。值得注意的是，所述速度梯度是在尾随更高比在孔出口处的前缘孔出口的边缘。虽然较高的速度梯度是在向下产生流剪切层，涡流形成在抑制下游的剪切层（参照图9）。漩涡的差形成起源于不同的压力梯度的向上流和下游剪切层。在上游的剪切层，一个不利的压力梯度为的结果而产生射流注射，而在下游的剪切层，流向压力梯度作为流动分离的结果而产生尾随孔出口的边缘。不良压力梯度恩hances不稳定性和加速射流的剪切的滚动向上喷气的上游边缘层涡流。接下来，我们将在图在BR讨论涡结构=0.1。图8（a）。从以BR=0.5的结果的比较中，很明显该马蹄旋涡和挂涡流的形成被抑制。在这种情况下，一对后旋涡和发夹涡流观察为主导涡流。作为小的结果吹送比，速度梯度在前缘和孔出口的侧边缘是小的，因此，形成挂的涡流，马蹄形涡流，并剪切层涡流与BR=0.5相比受到抑制。3.4。CRVP的起源如图11示出了瞬时和时均的观点截面流速和涡度为BR=0.1，0.5，0.7和1.0。上部数字显示由的等值面所代表的瞬间涡结构和流向涡的轮廓，[]。而，下部数字显示的时间轮廓的平均流向涡,，和时间的/=0，1和2中的横截面平均速度矢量。虽然CR