填充比對層板結(jié)構(gòu)換熱特性影響規(guī)律研究

韓樂，常海萍，丁陽，孫啟超，徐磊

（南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院，南京 210016）

填充比對層板結(jié)構(gòu)換熱特性影響規(guī)律研究

韓樂，常海萍，丁陽，孫啟超，徐磊

（南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院，南京 210016）

韓樂（1986），男，在讀博士研究生，研究方向?yàn)閭鳠崤c傳質(zhì)。

針對3種層板冷卻結(jié)構(gòu)，通過改變填充比得到了其冷卻效率。數(shù)值模擬和計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，隨著填充比的增大，繞流柱面及靶面的對流換熱能力變化很大，進(jìn)氣板面及進(jìn)出氣孔壁的對流換熱能力變化較小，層板結(jié)構(gòu)的冷卻效率單調(diào)增大。試驗(yàn)結(jié)果表明：在層板設(shè)計(jì)中，應(yīng)適當(dāng)增大填充比來獲得較優(yōu)的換熱特性。

層板；填充比；換熱特性；冷卻效率；數(shù)值模擬；試驗(yàn)驗(yàn)證

0 引言

作為1種新型冷卻技術(shù)，層板冷卻具有冷氣消耗量少、冷卻效率高等優(yōu)點(diǎn)，是目前國內(nèi)外航空發(fā)動機(jī)高溫部件冷卻方式的研究熱點(diǎn)。冷氣在層板內(nèi)部的細(xì)小通道內(nèi)流過并吸收熱量，然后從氣膜孔流出。層板內(nèi)部有很大的換熱面積，細(xì)小通道內(nèi)有很高的換熱系數(shù)。層板冷卻集氣膜、沖擊和對流冷卻形式于一身，可以承受更高的工作溫度，增大溫度裕度。填充比是影響層板冷卻結(jié)構(gòu)換熱特性的重要參數(shù)，是影響層板換熱的關(guān)鍵因素之一。

本文通過數(shù)值模擬和計(jì)算分析，開展了填充比對層板換熱特性影響的數(shù)值研究。

1 數(shù)值模擬

1.1 物理模型和計(jì)算網(wǎng)格

以圓型繞流柱為例，流體由進(jìn)氣孔進(jìn)入，出氣孔流出，出氣板下表面為加熱面，如圖1所示。其中，進(jìn)氣孔孔徑為2 mm，出氣孔孔徑為1.6 mm，進(jìn)氣板、出氣板及其中間區(qū)域厚度均為2.4mm，邊長均為8mm。

圖1 層板計(jì)算模型

根據(jù)文獻(xiàn)[1-2]設(shè)計(jì)了3種繞流柱層板結(jié)構(gòu)，如圖2所示。圖中，空心圓代表進(jìn)氣孔，帶陰影的代表繞流柱，黑色的代表出氣孔。通過改變繞流柱的體積大小，從而改變層板結(jié)構(gòu)的填充比，且在填充比變化過程中，各繞流柱的體積均同時(shí)增大或減小。由于受幾何條件的限制，填充比最大僅能達(dá)到52.58%左右，否則會產(chǎn)生干涉或者由于流體域過小而無法產(chǎn)生網(wǎng)格。

層板模型計(jì)算固體域及流體域如圖3所示。從圖中可見，計(jì)算時(shí)固體區(qū)域包括進(jìn)氣板、出氣板及繞流柱部分；流體區(qū)域包括進(jìn)、出氣孔及進(jìn)出氣板之間的空腔。所有網(wǎng)格均采用結(jié)構(gòu)化，并對近壁區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格加密。

圖23 種層板模型（圓型、雪花型、正方型）繞流柱排列

圖3 層板模型計(jì)算固體域及流體域

1.2 控制方程和湍流模型

本文采用的計(jì)算軟件為CFD商業(yè)軟件FLUENT 6.3。湍流模型采用Realizable k-ε模型，相關(guān)研究結(jié)果表明，該模型對于旋轉(zhuǎn)流動、強(qiáng)逆壓梯度的邊界層流動、流動分離和二次流有很好地表現(xiàn)。

計(jì)算采用分離隱式求解器進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算；近壁處采用增強(qiáng)壁面處理方式；對流項(xiàng)采用2階迎風(fēng)格式；能量方程無熱源；忽略氣體與壁面之間的輻射作用；殘差收斂精度小于1×10-5，且監(jiān)視加熱面平均溫度不再變化。

1.3 邊界條件及計(jì)算工況

模型進(jìn)口為流量進(jìn)口，為5×10-5kg/s，雷諾數(shù)為1580，溫度為300K；出口采用壓力出口，加熱面熱流量為5×104W/m2，所有側(cè)面定義均為對稱性邊界條件。

填充比的定義為δ=Vr/Vz，其中Vr為繞流柱的總體積；Vz為進(jìn)出氣板之間的空腔體積與繞流柱總體積之和。填充比表征了層板冷卻結(jié)構(gòu)中間體的填充程度，取值范圍見表1。

表13 種幾何結(jié)構(gòu)的填充比取值范圍

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 計(jì)算結(jié)果

衡量層板冷卻結(jié)構(gòu)換熱特性的好壞采用換熱效率

3種層板模型換熱特性計(jì)算結(jié)果如圖4所示。從圖中可見，3種層板結(jié)構(gòu)的換熱效率均隨著填充比的增大而單調(diào)增加。

圖4 層板模型換熱特性計(jì)算結(jié)果

2.2 結(jié)果分析

對于層板結(jié)構(gòu)，由加熱面?zhèn)鬟f的熱量從5處壁面?zhèn)鬟f給流體，分別為靶面、繞流柱面、進(jìn)氣板面、進(jìn)氣孔壁與出氣孔壁，壁面溫度均高于附近流體溫度，如圖5所示。

由于本文所研究的是填充比對層板結(jié)構(gòu)換熱特性的影響，而在相同填充比、相同幾何結(jié)構(gòu)下的不同換熱面的面積（除靶面與進(jìn)氣板面外），以及在相同幾何結(jié)構(gòu)下的相同換熱面在不同的填充比下的面積（除進(jìn)氣孔壁與出氣孔壁外）均差距較大，所以，判斷某個(gè)面的對流換熱能力時(shí)，不應(yīng)單純采用對流換熱系數(shù)，應(yīng)同時(shí)考慮換熱面積對其總換熱特性的影響。

圖5 層板結(jié)構(gòu)溫度分布

由對流換熱公式Q=hAΔT可知，hA=Q/ΔT，hA的物理意義為對流換熱熱阻的倒數(shù)，單位為W/K，表征了某個(gè)對流換熱面的對流換熱能力的大小。hA越大，則對流換熱熱阻越小，其對流換熱能力越強(qiáng)；反之亦然。其綜合考慮了h與A對壁面換熱特性的影響。在3種結(jié)構(gòu)下，5處壁面的hA隨著填充比的變化如圖6所示。

圖6 層板模型5處壁面hA值隨填充比的變化

從圖6中可見，隨著填充比的增大，3種層板模型的繞流柱面的hA值明顯增大，靶面的hA值有所減小，而進(jìn)氣板面和進(jìn)出氣孔壁的hA值基本不變，且繞流柱面hA值的增大幅度遠(yuǎn)大于靶面hA值的減小幅度。結(jié)果表明，隨著填充比的增大，繞流柱面的對流換熱能力明顯增強(qiáng)，原因在于其換熱面積的大幅度增加；靶面對流換熱能力有所減弱，原因在于其換熱面積的減少。

由上述hA隨填充比的變化情況，造成了5處壁面所傳遞的熱量隨填充比的變化。在3種結(jié)構(gòu)下，此5處壁面?zhèn)鬟f熱量隨著填充比的變化如圖7所示。

從圖7中可見，隨著填充比的增大，繞流柱面?zhèn)鬟f的熱量大幅增加而靶面大幅減小，進(jìn)氣板面以及進(jìn)出氣孔壁傳遞的熱量變化很小。

圖7 層板模型5處壁面?zhèn)鬟f熱量隨填充比的變化

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)裝置

層板單元換熱特性試驗(yàn)的氣路系統(tǒng)如圖8所示。在試驗(yàn)中，氣體從壓氣機(jī)出來，先經(jīng)過儲氣罐穩(wěn)流，然后通過浮子流量計(jì)進(jìn)入試驗(yàn)段，在風(fēng)洞中穩(wěn)壓，通過進(jìn)氣孔形成沖擊射流，對層板試驗(yàn)件內(nèi)壁進(jìn)行沖擊，最后通過出氣孔排出。通過壓氣機(jī)提供穩(wěn)定的氣源，閥門控制氣體流量，流量計(jì)測量體積流量。

圖8 試驗(yàn)氣路系統(tǒng)

3.2 試驗(yàn)段

試驗(yàn)段的裝配結(jié)構(gòu)如圖9所示。在膠木法蘭a、c中的對應(yīng)位置打有一定數(shù)量的通孔，以保證氣路的通暢及熱電偶的導(dǎo)出。

在試驗(yàn)中為了方便試驗(yàn)數(shù)據(jù)的測量，本文研究的層板結(jié)構(gòu)由出氣板試驗(yàn)件、進(jìn)氣板試驗(yàn)件、繞流柱及肋板組成。為了測量出氣面的平均溫度，出氣板試驗(yàn)件的材料為導(dǎo)熱率高的紫銅。出氣板與進(jìn)氣板的裝配方式如圖10所示，在試驗(yàn)件之間涂導(dǎo)熱硅膠以增強(qiáng)導(dǎo)熱效果。

圖9 試驗(yàn)段裝配結(jié)構(gòu)

圖10 出氣板與進(jìn)氣板裝配

本試驗(yàn)選取如圖3所示的圓型繞流柱為試驗(yàn)對象，試驗(yàn)件取9個(gè)計(jì)算單元，填充比取3.14%和12.56%。試驗(yàn)采用康銅膜加熱膜在出氣板側(cè)加熱，用熱電偶測量溫度，熱電偶測點(diǎn)如圖11所示。

圖11 試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)

3.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

進(jìn)氣雷諾數(shù)Re與換熱努塞爾數(shù)Nu定義為

式中：u為進(jìn)氣孔進(jìn)口速度；dn為進(jìn)氣孔直徑；μ為空氣的動力黏性系數(shù)；h為平均對流換熱系數(shù)；λ為空氣導(dǎo)熱系數(shù)；A為進(jìn)氣孔截面積總和；m˙為通過進(jìn)氣板的質(zhì)量流量。

本文出氣板材料使用了導(dǎo)熱系數(shù)很高的紫銅，可認(rèn)為加熱壁面溫度Tw與靶面溫度T相同。在Re及氣體物性相同的條件下，由上式可知，Nu與換熱效率ηi成正比。

由于Nu與換熱效率ηi成線性對應(yīng)關(guān)系，而ηi在試驗(yàn)中不易測得，故試驗(yàn)采用Nu為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。在填充比3.14%與12.56%時(shí)，圓型繞流柱靶面Nu隨Re的變化關(guān)系如圖12所示。從圖中可見，隨著Re的增大，Nu單調(diào)增大。在各相同Re下，填充比δ=12.56%時(shí)的Nu均大于δ=3.14%時(shí)的。這與計(jì)算結(jié)果相符，驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)論的正確性。

圖12 不同填充比下Nu隨Re的變化

4 結(jié)論

通過數(shù)值計(jì)算，得到了3種層板冷卻結(jié)構(gòu)下，填充比對層板結(jié)構(gòu)換熱特性的影響規(guī)律，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證可知：

（1）隨著填充比的增大，3種層板結(jié)構(gòu)的換熱效率不斷增大。

（2）層板換熱效率隨著填充比的增大而增大，可歸因于其總的對流換熱能力的增強(qiáng)。

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[3]全棟梁，李江海，劉松齡.雪花型層板結(jié)構(gòu)冷卻特性的數(shù)值模擬研究[J].熱科學(xué)與技術(shù)，2004，3（1）：55-59.

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Study on Effect of Filling Ratio on Heat Transfer Characteristics in Laminated Structure

HAN Le,CHANG Hai-ping,DING Yang,SUN Qi-chao,XU Lei
（College of Energy and Power Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China）

Aiming at three kinds of laminated structure,the cooling efficiency was obtained by changing the filling ratio.The numerical simulation and calculation analysis show that as the filling ratio increased,the convective heat transfer capacity of the flow varied greatly around a cylinder and the target surface,varied slightly around the plate surface and inlet and outlet holes wall,and the cooling efficiency of the laminated structure increased monotonically.The experimental results show that filling ratio should be appropriately increased to get better heat transfer characteristics in the laminated structure design.

laminated structure;filling ratio;heat transfer characteristic;cooling efficiency;numerical simulation;experimental verification

2011-03-16