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(西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院，陜西 西安 710072)

微尺度受限沖擊冷卻通道換熱特性研究

鄭杰，朱惠人，孟通，路宏康，閆建坤

(西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院，陜西 西安 710072)

0 引言

現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)鉁囟纫堰h(yuǎn)遠(yuǎn)高于材料耐熱極限。必須對(duì)高溫部件采取有效的冷卻措施[1]以保證其安全工作。以往有關(guān)冷卻結(jié)構(gòu)流動(dòng)特性的研究主要是基于毫米以上的宏觀尺度進(jìn)行的，流態(tài)視為連續(xù)介質(zhì)流動(dòng)。根據(jù)相關(guān)參考文獻(xiàn)[2]，將大于1mm的尺度成為宏觀尺度，1μm～1mm的尺度成為微尺度。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)槽道、圓管內(nèi)微尺度流動(dòng)換熱進(jìn)行了一些研究[3-10]。但是涉及渦輪葉片內(nèi)部受限沖擊冷卻結(jié)構(gòu)的微尺度結(jié)構(gòu)的研究相對(duì)較少。因此,在此背景下研究了雷諾數(shù)、孔徑、孔間距和沖擊距等參數(shù)對(duì)流動(dòng)及換熱的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中空氣從高壓氣瓶通過(guò)第一個(gè)高壓壓力截止閥，然后通過(guò)0.01μm高精度過(guò)濾器，在進(jìn)入小孔實(shí)驗(yàn)段前有一個(gè)高壓壓力調(diào)節(jié)閥來(lái)調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)段進(jìn)口前壓力。由于實(shí)驗(yàn)中，最高進(jìn)口壓力為1.5MPa。因此,選擇12MPa的高壓氣瓶，并且串聯(lián)在一起。為了防止小孔試驗(yàn)件堵塞和保證空氣的品質(zhì)，在小孔實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的過(guò)濾器選擇為0.01μm高精度空氣過(guò)濾器。壓力采集系統(tǒng)采用羅斯蒙特的耐壓為4 MPa的絕壓表和2個(gè)耐壓為4 MPa的差壓表，差壓表量程為0～700Pa和700Pa～300kPa，調(diào)節(jié)閥采用耐高壓4 MPa的壓力截止閥，來(lái)控制實(shí)驗(yàn)段前的壓力。流量計(jì)前的壓力截止閥主要是來(lái)保證流量計(jì)前的壓力穩(wěn)定，使流量計(jì)在測(cè)量中減小波動(dòng)。試驗(yàn)中采用高精度的美國(guó)ALICAT質(zhì)量流量控制器，量程為0～100L/min。

實(shí)驗(yàn)段由前腔、沖擊孔隔熱板、紫銅試驗(yàn)件、加熱鋼帶、隔熱出流孔板與后腔6部分組成，通過(guò)外部法蘭相互擠壓，來(lái)密封沖擊腔。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)加直流電源的鋼帶給試驗(yàn)件加熱，由于紫銅有良好的導(dǎo)熱性能，導(dǎo)熱系數(shù)為398W/(m·K)。因此,紫銅試驗(yàn)件的溫度分布比較均勻。通過(guò)直流電源輸出的電流、電壓相乘就是鋼帶全部的加熱量，用全部的加熱量減去熱損失就是紫銅塊加熱的凈熱量。熱損失是在安裝好試驗(yàn)件后，不通主流的情況下給鋼帶加熱，等待試驗(yàn)件的溫度與環(huán)境溫度達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)候記錄數(shù)據(jù)，通過(guò)加不同的電流電壓，得到不同的加熱量與試驗(yàn)件和環(huán)境溫差的數(shù)據(jù)。主流空氣的溫度取進(jìn)出口的平均溫度，紫銅塊兩邊布置有8個(gè)熱電偶，取這8個(gè)熱電偶的平均溫度為紫銅塊的溫度。

2 數(shù)值計(jì)算方法

計(jì)算模型由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱，計(jì)算域取多孔排中一個(gè)對(duì)稱單元為計(jì)算單元如圖1所示。單元設(shè)為對(duì)稱性邊界條件，包括半個(gè)沖擊孔，半個(gè)氣膜孔，半個(gè)沖擊腔。沖擊孔與氣膜孔孔徑相同，分別取孔徑D=0.3mm，0.4 mm，0.5mm。沖擊孔與氣膜孔間隔排列，沖擊孔與沖擊孔孔間距分別取P=5D,10D，沖擊距分別取P=2D,2.5D,3D。改變不同孔徑、孔間距和沖擊距可以得到不同結(jié)構(gòu)下的流動(dòng)與換熱。

計(jì)算中采用結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化混合網(wǎng)格，近壁處增加了邊界層網(wǎng)格，經(jīng)過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證后最終網(wǎng)格數(shù)量為130萬(wàn)左右，如圖2所示。采用Fluent進(jìn)行求解，選用RNG k-ε雙方程湍流模型和增強(qiáng)壁面函數(shù)。壓力速度耦合采用Simplec算法，動(dòng)量方程，能量方程和湍流方程都采用二階迎風(fēng)格式。各方程殘差均小于1e-6，且不再降低。進(jìn)口為流量進(jìn)口條件，雷諾數(shù)變化范圍與實(shí)驗(yàn)條件一致，都為Re=1000～10000，進(jìn)口靜止溫度為300K，出口給定出口壓力條件，并且給定恒定熱流密度條件。冷卻氣體視為可壓縮理想氣體。

圖1 計(jì)算域

圖2 計(jì)算網(wǎng)格

3 結(jié)果分析

3.1 沖擊孔徑對(duì)換熱的影響

為了模擬發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)尺寸下?lián)Q熱情況。某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片沖擊孔進(jìn)口的真實(shí)工況為P=2.4 MPa，T=800K。不同孔徑下沖擊通道平均對(duì)流換熱系數(shù)(HTC)隨雷諾數(shù)變化分布如圖3和圖4所示?？梢酝茖?dǎo)出，對(duì)于不同孔徑但相同長(zhǎng)度的冷卻通道，沖擊雷諾數(shù)相同即可保證總冷氣量一致?？梢杂^察到，隨著孔徑的減小，沖擊通道平均對(duì)流換熱系數(shù)增大，換熱效果得到明顯提升。圖3中，在相同的孔間距下，當(dāng)孔間距P/D=5時(shí)，不同孔徑的換熱系數(shù)增長(zhǎng)率隨著孔徑的減小而增大，并且在相同的雷諾數(shù)下?lián)Q熱系數(shù)差距比較明顯。在圖4中，當(dāng)孔間距P/D=10時(shí)，在相同的孔間距下，換熱系數(shù)在相同的雷諾數(shù)時(shí)比較接近。

圖3 P/D=5時(shí)，不同孔徑下HTC隨雷諾數(shù)變化分布

圖4 P/D=10時(shí)，不同孔徑下HTC隨雷諾數(shù)變化分布

圖5 不同孔徑下沖擊靶面局部對(duì)流換熱系數(shù)云圖

沖擊孔徑的變化不僅改變了靶面平均換熱效果，同時(shí)還對(duì)局部產(chǎn)生了明顯影響。圖5顯示了孔徑D分別為0.3mm，0.4 mm，0.5mm，孔間距P=5D，沖擊距H=2D，Re=6000時(shí)沖擊靶面的局部對(duì)流換熱系數(shù)分布云圖。沖擊靶面上的換熱差異是由于沖擊射流流動(dòng)情況發(fā)生了變化。由圖中可以看出，沖擊靶面對(duì)流換熱系數(shù)的分布趨勢(shì)一致，但在換熱強(qiáng)化區(qū)即沖擊孔下方圓形駐點(diǎn)區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)差異。隨著孔徑的減小，駐點(diǎn)內(nèi)靶面的對(duì)流換熱系數(shù)峰值增大。這是由于相同流量下隨著孔徑的增大，沖擊氣流速度逐漸降低。因此,駐點(diǎn)內(nèi)換熱系數(shù)趨于平均。

3.2 沖擊距離對(duì)換熱的影響

不同沖擊距下沖擊通道平均對(duì)流換熱系數(shù)隨雷諾數(shù)變化分布如圖6和圖7所示?？梢杂^察到，沖擊通道的平均對(duì)流換熱系數(shù)隨著沖擊距的減小而增大，并且3種沖擊距下沖擊通道的平均對(duì)流換熱系數(shù)隨雷諾數(shù)變化趨勢(shì)基本相當(dāng)，且在孔間距為P/D=10時(shí)，如圖7所示，H/D=2.5與H/D=3時(shí)沖擊通道的平均換熱系數(shù)差別很小，但兩者與H/D=2時(shí)相差明顯，并且平均換熱系數(shù)的斜率隨著孔徑的增大而減小。當(dāng)孔間距為P/D=5時(shí)，如圖6所示，3種沖擊距下不同孔徑下的平均換熱系數(shù)均有比較明顯的差別，并且此時(shí)的平均換熱系數(shù)的斜率也是隨著孔徑的增大而減小。沖擊距減小可以提高當(dāng)?shù)氐姆逯担钱?dāng)孔間距較大時(shí)換熱系數(shù)的平均值與大間距相同。這說(shuō)明，改變沖擊距對(duì)沖擊靶面換熱會(huì)有影響，但是在大孔間距條件下，射流與靶間距距離變化范圍較小時(shí)，平均對(duì)流換熱系數(shù)變化不明顯。

圖6P/D=5不同沖擊距下沖擊 通道HTC隨雷諾數(shù)變化分布

圖7P/D=10不同沖擊距下沖擊 通道HTC隨雷諾數(shù)變化分布

數(shù)值計(jì)算值中在所計(jì)算沖擊距范圍內(nèi)，改變沖擊距對(duì)靶面換熱的影響不很明顯。沖擊靶面上對(duì)流換熱系數(shù)在沖擊區(qū)駐點(diǎn)附近保持著一個(gè)較高的值，隨著與沖擊中心徑向距離的增大而減小。改變沖擊距對(duì)沖擊空下方圓形駐點(diǎn)區(qū)域內(nèi)換熱效果有影響，隨著沖擊距的減小，駐點(diǎn)區(qū)域內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)峰值略有提高，駐點(diǎn)區(qū)域增大，當(dāng)?shù)負(fù)Q熱得到改善。在靠近壁面處的換熱薄弱區(qū)內(nèi)，靶面對(duì)流換熱系數(shù)隨著沖擊距的增大而增高，換熱有提高。但靶面換熱系數(shù)整體分布隨沖擊距變化并無(wú)明顯改變。

3.3 沖擊孔間距對(duì)換熱的影響

孔間距不同時(shí)，沖擊通道平均對(duì)流換熱系數(shù)隨雷諾數(shù)變化分布如圖8所示，可以觀察到隨著沖擊孔間距的增大所有結(jié)構(gòu)的換熱系數(shù)是減小的，由于沖擊孔間距的增大，使得單位面積的熱流量減小。因此,換熱系數(shù)隨著沖擊孔間距的增大而減小。并且可以觀察到，所有結(jié)構(gòu)的整體平均對(duì)流換熱系數(shù)均隨雷諾數(shù)增加而增大。

圖8 不同孔間距下沖擊通道平均對(duì)流 換熱系數(shù)隨雷諾數(shù)變化分布

圖9 不同孔間距下沖擊靶面對(duì)流換熱系數(shù)云圖

沖擊孔間距的變化明顯改變了靶面平均換熱效果，也對(duì)靶面換熱分布有著很大影響。圖9顯示了3種沖擊孔徑下，孔間距分別為5D,10D，沖擊距H=2D，Re=6000時(shí)，沖擊靶面的對(duì)流換熱系數(shù)分布云圖。從圖中可以看出，沖擊靶面對(duì)流換熱系數(shù)的分布隨著孔間距變化有很大差異。沖擊孔正下方圓形駐點(diǎn)區(qū)域內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)峰值基本一致，強(qiáng)化換熱的駐點(diǎn)區(qū)域也無(wú)明顯改變，總體來(lái)講在圓形駐點(diǎn)區(qū)域內(nèi)局部換熱效果大體相同，只是在下游換熱區(qū)域，P=10D換熱較弱?？组g距P=5D時(shí)靶面大部分處于沖擊換熱較好區(qū)域，但是，隨著孔間距增加到P=10D時(shí)，沖擊強(qiáng)化區(qū)已不能很好覆蓋整個(gè)沖擊靶面。此時(shí)，靠近出流孔附近區(qū)域的換熱系數(shù)與位于沖擊孔與出流孔中部的低換熱區(qū)域內(nèi)的換熱系數(shù)相比有所升高，出流對(duì)換熱的強(qiáng)化作用隨著孔間距的增加而增大，但這種換熱增強(qiáng)的效果要弱于沖擊換熱的強(qiáng)化效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)研究某發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)尺寸下受限小空間內(nèi)沖擊-氣膜復(fù)合冷卻內(nèi)通道的流動(dòng)與換熱特性，結(jié)果表明，不同沖擊孔徑大小對(duì)沖擊換熱效果有顯著影響。因此，在給定冷氣量下合理選擇沖擊孔徑有利于改善沖擊冷卻效果;沖擊Re、沖擊孔間距P/D及沖擊距離H/D均顯著影響了復(fù)合冷卻效果，相同沖擊雷諾數(shù)、孔徑D和沖擊距離H/D，不同孔間距P/D時(shí)，通道整體平均換熱系數(shù)隨著孔間距的減小而增大，換熱效果改善明顯;在相同雷諾數(shù)、孔徑D、孔間距P/D和不同沖擊距H/D的條件下，通道整體平均換熱系數(shù)隨著沖擊距的減小而增大，但變化不明顯。

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Investigation of Jet Impingement Heat Transfer for Micro-channel

ZHENGJie，ZHUHuiren，MENGTong，LUHongkang，YANJiankun

(School of Power and Energy,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072,China)

為了更進(jìn)一步研究真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸下沖擊通道的流動(dòng)與換熱情況，針對(duì)沖擊孔與氣膜孔組合形式的受限沖擊通道，在保證與真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)工況相等的克努森數(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬研究，進(jìn)一步解釋了不同結(jié)構(gòu)微小沖擊通道的整體換熱情況，結(jié)果表明，在相同的雷諾數(shù)下，沖擊射流孔徑越小，沖擊靶面駐點(diǎn)區(qū)域內(nèi)換熱越強(qiáng)，沖擊平均對(duì)流換熱系數(shù)越大?？组g距越小，沖擊靶面平均對(duì)流換熱系數(shù)越大，并且隨著射流沖擊距的增大，換熱減弱。

沖擊冷卻；微尺度；數(shù)值模擬；換熱系數(shù)；雷諾數(shù)

In order to investigate the flow and heat transfer characteristics of inner cooling channel with real engine sizes.This paper mainly to investigate the heat transfer characteristics of micro-scale confined impingement cooling structures.Knudsen number is equal to the Knudsen number in real working condition of engine.The thermodynamic characteristics of micro-scale impingement channels with different geometry are studied by experiment and numerical simulation.The results show that with the same Reynolds number,average heat transfer coefficient of channel increases as the holes diameter decreases,and it decreases as the magnitude of impingement distance or hole spacing increases.

impingement cooling;micro-scale; numerical simulation;heat transfer coefficients;Reynolds

2014-04-09

V239

A

1001-2257(2014)08-0022-04

鄭杰(1987-)，男，甘肅平?jīng)鋈?，博士研究生，研究方向?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件冷卻以及微小尺度的流動(dòng)與換熱。