《Coatings》：Coupling Interaction of Swirl and Diameter on Particle Deposition and Degradation of Aerodynamic Performance for a Turbine Vane
编辑推荐：
本研究采用数值方法研究入口旋流（Swirl）强度对静止导叶表面颗粒沉积的影响，通过调节入口旋流强度和入口热斑（Hot Streak）条件。结果表明，旋流显著改变导叶表面温度分布，在最强旋流条件下，平均表面温度相比无旋流情况升高了1.02%。在压力侧，增强的旋流
本研究采用数值方法研究入口旋流（Swirl）强度对静止导叶表面颗粒沉积的影响，通过调节入口旋流强度和入口热斑（Hot Streak）条件。结果表明，旋流显著改变导叶表面温度分布，在最强旋流条件下，平均表面温度相比无旋流情况升高了1.02%。在压力侧，增强的旋流将高温区域向导叶根部移动；在吸力侧，整体温度升高。颗粒沉积行为具有强烈的尺寸依赖性：旋流降低了小颗粒的沉积效率（Deposition Efficiency），但略微增加了大颗粒的沉积效率。此外，旋流改变了沉积模式，导致在压力侧中央形成镖形沟槽（Dart-shaped Grooves），在尾缘附近形成新月形凸起（Crescent-shaped Protrusions），这进而影响气动性能。压力系数（Pressure Coefficient）波动主要出现在压力侧。这些发现揭示了旋流与颗粒动力学对导叶表面退化和流动行为的耦合效应。
研究背景：燃气轮机作为能量转换设备广泛应用于发电、航空航天等领域，其热端部件表面的颗粒沉积现象严重影响运行效率与安全性。高温气流中的熔融污染物、未燃碳粒及金属化合物在高速流动下加速沉积，导致表面粗糙度增加、气动型面改变、冷却通道堵塞及热障涂层腐蚀。现有研究已分别探讨了旋流（Swirl）、热斑（Hot Streak）或沉积的独立效应，但入口旋流强度与颗粒直径的耦合作用及其对沉积动态生长、表面形貌和气动性能衰减的系统性量化尚属空白。因此，研究人员开展此项研究，旨在揭示旋流与颗粒直径的耦合机制，为优化导叶冷却策略、提高涡轮整体性能提供理论依据。该论文发表在《Coatings》。
主要关键技术方法：研究人员采用欧拉-拉格朗日（Eulerian–Lagrangian）框架追踪颗粒，流体相通过纳维-斯托克斯（Navier-Stokes）方程求解。颗粒受力包括曳力、萨夫曼升力、热泳力和布朗力。采用临界粘度模型（Critical Viscosity Model）判断颗粒沉积概率，该模型依据颗粒温度计算粘度，并与临界粘度比较。通过自定义函数（UDF）实现动网格技术（Dynamic Mesh Technology），模拟沉积物生长导致的边界变形。计算域为NASA C3X直导叶单通道，入口边界条件基于Koupper等人实验设置（旋流角正切值0~1.23，热斑温度比0.88~1.03），颗粒性质来自Ai等人的加速沉积实验（TADF试验台，颗粒浓度160 ppm，直径1~50 μm）。验证采用Hylton等人的实验数据（试验4422）进行网格无关性检验与湍流模型选择（过渡k-kl-ω模型最优），并利用Ai等人实验验证颗粒-壁面交互模型（均方根误差0.31%）。
研究结果：
4.1 旋流与热斑对温度分布的影响：通过分析中截面及叶高方向温度分布云图发现，无旋流时热斑对称分布，压力侧温度高于吸力侧。旋流使压力侧高温区向叶根迁移（由涡量重分布、二次流相互作用及科里奥利效应驱动），吸力侧整体温度升高。沿叶高平均温差显示，最强旋流下压力侧叶根处最大温差达85.09 K，吸力侧89%叶高处温差峰值71.71 K，平均表面温度升高1.02%。
4.2 旋流与热斑对颗粒撞击的影响：基于临界粘度模型预测的撞击数与沉积数分布表明，小颗粒（1 μm）惯性小，受主流温度影响大，沉积均匀；大颗粒（≥30 μm）在压力侧前缘和尾缘集中撞击。压力侧撞机数随粒径增加，无旋流时存在26 μm拐点（增速减缓），旋流增强使拐点前移至20 μm。小颗粒（<7 μm）撞击数随旋流强度线性下降，大颗粒（>8 μm）呈指数上升。吸力侧则相反。旋流起到颗粒重分配作用。冲击温度分析显示小颗粒温度较高（>1480 K），3 μm颗粒在无旋流时冲击温度最低（1350 K），旋流降低小颗粒冲击温度但影响随粒径增大而减弱。
4.3 旋流与热斑对颗粒沉积的影响：沉积形貌显示小颗粒（1~5 μm）在吸力侧集中沉积，大颗粒（50 μm）在前缘和尾缘形成环形与新月形沉积带。总沉积量以压力侧为主（占85%~90%）。识别出29 μm为旋流双重效应的临界粒径：旋流增强小于29 μm颗粒的沉积，抑制大于29 μm颗粒的沉积。捕获效率（Capture Efficiency）方面，小颗粒（<10 μm）效率50%~70%，旋流使5 μm颗粒效率最大降低17.76%；大于23 μm时无旋流捕获效率低于所有旋流条件（最大差3.6%）。
4.4 对气动外形的影响：动网格模拟显示沉积厚度随时间增加，无旋流时前缘沉积最厚（1500 h约2 mm），压力侧0.5~1 mm。旋流使沉积向尾缘转移，形成新月形凸起（厚度随旋流增强从1.4 mm增至2.9 mm）。压力系数（Pressure Coefficient）在吸力侧变化小，压力侧尾缘附近波动显著。总压损失（Total Pressure Loss）随暴露时间持续上升，无旋流（Case 1）1500 h总压损失约18840 Pa（增加760 Pa），强旋流（Case 4）约18070 Pa（增加320 Pa）。尽管强旋流使总沉积质量减少10.29%，但因形成不均沉积形貌（镖形沟槽、新月形凸起）导致局部表面粗糙度增加、边界层分离，摩擦系数上升，反而加剧气动性能恶化。
总结讨论：研究人员指出，旋流诱导的高温区迁移与不均匀沉积分布要求对叶根、前缘等热点区域进行局部冷却布局优化与增强热防护。合理匹配入口旋流调节、颗粒污染控制与表面抗沉积处理，可协调冷却效率、沉积抑制与长期气动稳定性。研究结论翻译如下：
(1)入口旋流显著改变导叶表面温度分布：压力侧强旋流使高温区向叶根移动，吸力侧整体温度升高；最强旋流下平均表面温度比无旋流高1.02%。
(2)颗粒沉积行为呈强尺寸依赖：旋流使5 μm小颗粒沉积效率降低最多17.76%，而大颗粒沉积效率略微升高；识别出29 μm临界粒径以区分旋流的双重效应。
(3)尽管强旋流下总沉积质量减少10.29%，但压力侧中央形成镖形沟槽、尾缘附近形成新月形凸起，导致压力系数波动，气动性能恶化。
(4)从工程角度看，适度入口旋流可有效缓解细颗粒污染，但过度旋流会引发不利的热重分布、不规则沉积形貌及气动退化，需在实际设计中谨慎考虑。
