帶肋和出流孔通道換熱研究

郭濤，朱惠人，蘇福彬，許都純

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

1 引言

帶肋和出流孔通道是燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片中常用的冷卻結(jié)構(gòu)，冷卻空氣在通道內(nèi)流動(dòng)對(duì)壁面進(jìn)行冷卻時(shí)，一部分氣流由出流孔流出，在葉片表面形成氣膜冷卻，或在內(nèi)部形成沖擊冷卻，從而構(gòu)成組合冷卻方式，提高冷卻空氣的利用效率。

在相關(guān)研究中，針對(duì)無出流孔的帶肋通道，文獻(xiàn)[1]對(duì)通道中的換熱和流動(dòng)阻力進(jìn)行了研究，分析了肋角度和通道高寬比等幾何因素對(duì)流動(dòng)和換熱特性的影響；文獻(xiàn)[2]測(cè)量了帶肋通道中的換熱分布和流場(chǎng)；文獻(xiàn)[3]對(duì)帶肋通道內(nèi)的流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。以上研究得到的詳細(xì)流動(dòng)和換熱分布，揭示了肋對(duì)流動(dòng)的影響和增強(qiáng)換熱的機(jī)理。針對(duì)出流對(duì)換熱的影響，文獻(xiàn)[4]對(duì)無肋通道出流孔附近的冷卻空氣流動(dòng)及換熱進(jìn)行了研究，得到了出流影響下的換熱分布規(guī)律，揭示了出流對(duì)通道內(nèi)壁面的強(qiáng)化換熱機(jī)理。針對(duì)帶肋和有出流的通道，文獻(xiàn)[5]對(duì)通道內(nèi)冷卻空氣的流動(dòng)情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了通道內(nèi)的流場(chǎng)；文獻(xiàn)[6]研究了不同形式的肋對(duì)換熱分布的影響；文獻(xiàn)[7]研究了不同出流情況對(duì)換熱分布的影響。研究表明，出流使有出流壁面換熱分布發(fā)生較大改變，但其研究都只針對(duì)帶肋和出流孔壁面。

本文針對(duì)帶肋和出流孔通道，對(duì)通道中帶肋壁和光滑壁的換熱分布以及雷諾數(shù)和出流比對(duì)換熱特性的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

2 實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)試方法

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，實(shí)驗(yàn)時(shí)壓縮機(jī)1關(guān)閉，以氣罐2中的高壓空氣作為氣源，高壓空氣由閥門4調(diào)節(jié)并由流量計(jì)3測(cè)量流量，經(jīng)前穩(wěn)定箱5穩(wěn)定后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)通道7，前穩(wěn)定箱5內(nèi)裝有多孔板，且為收縮出口，以保證氣流在通道入口速度均勻，通道入口處裝有快速加熱器6，對(duì)氣流進(jìn)行快速加熱，實(shí)驗(yàn)通道內(nèi)一部分氣流由通道的出流孔排出，另一部分進(jìn)入后穩(wěn)定箱8，經(jīng)閥門9和流量計(jì)10排出，實(shí)驗(yàn)出流比由閥門9調(diào)節(jié)并由流量計(jì)3和10的測(cè)量結(jié)果計(jì)算。正對(duì)研究表面，布置有照明光源11和CCD攝像機(jī)12，用以記錄研究表面液晶顏色的變化。實(shí)驗(yàn)開始前，在總?cè)莘e為140 m3的氣罐中充入0.6 MPa的高壓空氣，由于實(shí)驗(yàn)流量小，持續(xù)時(shí)間短，實(shí)驗(yàn)過程中氣罐內(nèi)壓力、溫度的變化，以及由此導(dǎo)致的通道內(nèi)工況參數(shù)的變化可以忽略。

實(shí)驗(yàn)通道如圖2所示，截面為矩形，高寬比為1:1，當(dāng)量直徑De=70 mm，2相對(duì)壁面帶肋，肋與通道中心線呈90°，差排布置，其中有出流孔的帶肋壁面15根，無出流孔帶肋壁面14根。肋截面為矩形，肋寬與肋高之比為1:1，肋高與通道水力直徑之比為1：10，肋距與肋高之比為1:10。通道中1帶肋壁面有出流孔，出流孔位于相鄰2肋之間中心位置，出流孔直徑與通道當(dāng)量直徑之比為1:10，長(zhǎng)徑比為2.9:1，出流孔垂直于所在壁面。

2.2 測(cè)試方法

實(shí)驗(yàn)通道各壁面換熱系數(shù)的測(cè)量采用熱色液晶瞬態(tài)測(cè)試方法，即在研究表面均勻噴涂熱色液晶，實(shí)驗(yàn)開始前將通道入口雷諾數(shù)和出流比調(diào)整至目標(biāo)值；實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，快速加熱器使氣流溫度迅速升高，研究表面的溫度由于對(duì)流換熱而上升，由熱色液晶測(cè)量其溫度分布及其隨時(shí)間的變化。表面溫度Tw隨時(shí)間τ的變化過程與對(duì)流換熱系數(shù)h、氣流溫度Tg、壁面初始溫度T0和材料物性有關(guān)。因此，實(shí)驗(yàn)中只要記錄表面溫度和氣流溫度的變化過程Tw(τ)、Tg(τ)，并已知實(shí)驗(yàn)件初始溫度T0和物性（如密度ρ、比熱c、導(dǎo)熱系數(shù)λ），即可用瞬態(tài)導(dǎo)熱理論求解對(duì)流換熱系數(shù)。通常為簡(jiǎn)化計(jì)算過程，將實(shí)驗(yàn)限定在較短時(shí)間內(nèi)完成，此時(shí)壁面內(nèi)部為1維半無限大導(dǎo)熱狀態(tài)，氣流溫度階躍升高時(shí)，各參數(shù)之間的關(guān)系為

若氣流溫度升高不是階躍過程，可用若干階躍過程進(jìn)行擬合，相應(yīng)參數(shù)之間的關(guān)系變?yōu)?/p>

為滿足上述2式的應(yīng)用條件，實(shí)驗(yàn)時(shí)間應(yīng)滿足τ≤（δ2ρc）/（16λ）。具體實(shí)驗(yàn)方法見文獻(xiàn)[8]。由于研究采用的實(shí)驗(yàn)通道壁厚不同，所允許的最大實(shí)驗(yàn)時(shí)間對(duì)有出流孔壁面（δ=20 mm）為231 s，對(duì)其他壁面（δ=10 mm）為58 s。

研究中各參數(shù)定義如下。通道入口雷諾數(shù)

通道總出流比

努塞爾數(shù)

式中：min、mout為通道入、出口質(zhì)量流量；A為通道截面積；μ為動(dòng)力黏性系數(shù)。

實(shí)驗(yàn)通道入口雷諾數(shù)為Re=20000、40000、60000、80000，通道總出流比為Br=0.30、0.45、0.60。

3 結(jié)果及分析

3.1 通道各壁面換熱分布

2個(gè)無肋側(cè)壁以通道中心對(duì)稱，因此實(shí)驗(yàn)測(cè)量了2個(gè)帶肋壁面和1個(gè)側(cè)壁的換熱分布。各工況實(shí)驗(yàn)結(jié)果規(guī)律類似，以Re=60000、Br=0.6的工況為例進(jìn)行分析，如圖3所示。無出流帶肋壁面，換熱在2個(gè)相鄰肋間的中心區(qū)域和下游肋的上游區(qū)域較強(qiáng)，上游肋的下游存在低換熱區(qū)域。出流使通道內(nèi)的氣流速度逐漸減小，換熱逐漸減弱；而在帶肋和出流孔壁面，根據(jù)文獻(xiàn)[5]對(duì)類似通道中流動(dòng)情況的數(shù)值模擬，由于出流作用，一方面使通道中心的氣流偏向壁面；另一方面，使壁面附近靠近中心線的流動(dòng)速度減慢，而靠近側(cè)壁的氣流偏向出流孔。因而在孔的附近，尤其是孔的下游，出現(xiàn)高換熱區(qū)，而在出流孔上游，壁面中心線附近的換熱低于兩側(cè)，形成“倒C”形[7]換熱分布。在通道長(zhǎng)度方向，靠近通道入口處，肋的擾流作用和出流造成的氣流偏轉(zhuǎn)作用逐漸加強(qiáng)，使壁面2肋之間的換熱增強(qiáng)，在x/De=2～3時(shí)達(dá)到最大。此后，出流造成的流速減慢使換熱逐漸減弱；在無肋側(cè)壁上，可以清楚的看到2壁面不同換熱強(qiáng)度的過渡趨勢(shì)。側(cè)壁上靠近出流一側(cè)，在靠近通道入口處（x/De＜3），由于差排肋導(dǎo)致的氣流周期性上下偏轉(zhuǎn)尚未充分建立，肋擾流形成的高換熱區(qū)域向下游影響范圍較大，隨x/De的增大，周期性偏轉(zhuǎn)流動(dòng)穩(wěn)定后，高換熱影響區(qū)在通道高度方向增大，沿流向有所減小，呈蠶豆形，換熱最高區(qū)域位于肋的上方偏上游位置。由于通道內(nèi)流量逐漸減小，努塞爾數(shù)的數(shù)值亦隨之減小。由于實(shí)驗(yàn)件法蘭安裝邊的遮擋，側(cè)壁上方10 mm區(qū)域未取得數(shù)據(jù)，該區(qū)域高度大于肋高（7 mm），無出流帶肋壁面的肋對(duì)側(cè)壁換熱的影響被部分遮擋，但依然可以看出，相對(duì)無出流的帶肋壁面，帶出流孔壁面的肋對(duì)側(cè)壁換熱造成的影響區(qū)域較大。這是出流與肋的綜合作用使有出流壁面附近流動(dòng)的3維特征更加明顯造成的。

3.2 雷諾數(shù)對(duì)各壁面平均換熱特性的影響

雷諾數(shù)對(duì)各壁面平均換熱特性的影響如圖4～6所示。其中Nu0是按照經(jīng)典的光滑管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱經(jīng)驗(yàn)公式Nu0=0.023Re0.8Pr0.33計(jì)算的。由圖4～6中的（a）圖可見，各壁面平均努塞爾數(shù)均隨雷諾數(shù)的增大而增大。對(duì)于無出流孔的帶肋壁面和側(cè)壁（圖4（a）、圖5（a）），平均努塞爾數(shù)在各出流比下有所不同，而在帶肋和出流孔壁面（圖6（a）），其平均努塞爾數(shù)的變化曲線在各出流比下基本重合，表明出流量的大小對(duì)有出流壁面的影響程度很小。圖4～6中的（b）圖為換熱增強(qiáng)系數(shù)Nu/Nu0隨雷諾數(shù)的變化，換熱增強(qiáng)系數(shù)均隨雷諾數(shù)的增大而減小，說明其強(qiáng)化換熱效果隨雷諾數(shù)增大而變差，其原因與高雷諾數(shù)下管內(nèi)流動(dòng)更趨于充分湍流有關(guān)。各壁面的不同在于：（1）對(duì)于無出流孔的帶肋壁面和側(cè)壁（圖4（b）、圖5（b）），在相同雷諾數(shù)下，換熱增強(qiáng)系數(shù)隨出流比的增大而減小。而帶肋和出流孔壁面（圖6（b）），在不同出流比下，換熱增強(qiáng)系數(shù)基本相同。（2）隨雷諾數(shù)的增大，2帶肋壁面的換熱增強(qiáng)系數(shù)的減小速度逐漸趨緩，說明雷諾數(shù)較大時(shí)肋導(dǎo)致的擾動(dòng)趨于較為穩(wěn)定的狀態(tài)，而無肋側(cè)壁增強(qiáng)系數(shù)隨雷諾數(shù)增大而減小的速度無明顯變化。（3）從換熱增強(qiáng)系數(shù)的數(shù)值上看，帶肋和出流孔壁面換熱增強(qiáng)作用最大，側(cè)壁的次之，無出流帶肋壁面的最小。

3.3 出流比對(duì)各壁面平均換熱系數(shù)的影響

如圖7所示，對(duì)于無出流孔的帶肋壁面，努塞爾數(shù)和換熱增強(qiáng)系數(shù)隨出流比的增大而減小，小雷諾數(shù)情況下?lián)Q熱增強(qiáng)系數(shù)減小的速度比大雷諾數(shù)下的更快，這說明出流比的影響在小雷諾數(shù)下更加明顯。隨雷諾數(shù)的增大，換熱增強(qiáng)系數(shù)的差別減小。如圖8所示，對(duì)于側(cè)壁，努塞爾數(shù)和增強(qiáng)系數(shù)亦隨出流比的增大而減小，且隨雷諾數(shù)的增大，其減小的趨勢(shì)更加明顯。如圖9所示，對(duì)于帶肋和出流孔壁面，努塞爾數(shù)和換熱增強(qiáng)系數(shù)均不隨出流比的變化而改變。原因在于各壁面導(dǎo)致?lián)Q熱增強(qiáng)的因素各不相同，對(duì)于無出流孔的帶肋壁面和側(cè)壁，流速是主要影響因素，出流越大通道內(nèi)流速降低越多，造成努塞爾數(shù)和換熱增強(qiáng)系數(shù)隨出流比增大而減小。對(duì)于帶肋和出流孔壁面，出流導(dǎo)致的氣流向壁面偏轉(zhuǎn)是決定換熱情況的重要因素，相比之下通道內(nèi)流速降低對(duì)換熱的影響較弱，在出流比Br=0.3時(shí)，壁面附近的氣流偏轉(zhuǎn)已很充分，出流比越大只會(huì)使越靠近通道中心的氣流發(fā)生偏轉(zhuǎn)，而不會(huì)對(duì)壁面附近的流動(dòng)情況產(chǎn)生大的影響，換熱分布和增強(qiáng)程度亦不隨出流比的變化而變化。

4 結(jié)論

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，在本文所研究的雷諾數(shù)和出流比范圍內(nèi)，有如下結(jié)論：

（1）出流對(duì)帶肋通道各壁面換熱均有較大影響，且影響規(guī)律各不相同。

（2）出流的存在使無出流孔的帶肋壁面換熱系數(shù)沿通道方向減小，使帶肋和出流孔壁面的換熱系數(shù)沿通道方向先增大后減小。

（3）各壁面努塞爾數(shù)隨雷諾數(shù)增大而增大，換熱增強(qiáng)系數(shù)隨雷諾數(shù)增大而減小。

（4）無出流孔的帶肋壁面及側(cè)壁的努塞爾數(shù)和換熱增強(qiáng)系數(shù)隨出流比升高而減小，帶肋和出流孔壁面的努塞爾數(shù)和換熱增強(qiáng)系數(shù)不隨出流比的變化而變化。

[1] Han J C.Heat transfer and friction characteristics in rectangular channels w ith rib turbulators[J].ASME Journal ofheattransfer,1988,110:321-328.

[2] Chanteloup D,Juaneda Y,Bolcs A.Combined 3D flow and heat transfer measurements in a 2-pass internal coolant passage of gas turbine airfoils[J].ASME Journal of Torbomachinery,2002,124(4):710-718.

[3] William D.York,D.Scott Holloway.Prediction of heat transfer in a ribbed channel:evaluation of unsteady RANS methodology[R].ASME Turbo Expro 2005:Power for Land,Sea and Air,ASME 2005-GT-68821.

[4] Byerley.AR,Jones.TV,Ireland.PT.Internal cooling passage heat transfer near the entrance to a film cooling hole:Experimental and computational results[R].International gas turbine and aeroengine congress and exposition,Cologne,Germany June1-4,1992.ASME 92-GT-241.

[5] 倪萌，朱惠人，裘云，等.肋角度對(duì)流量系數(shù)影響的數(shù)值模擬研究[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào),2004,19(2):196-200.

[6] Srinath V Ekkad,Yizhe Huang.Je-Chin Han.Detailed heat transfer distributions in two-pass square channels with rib turbulators and bleed holes[J].International journal of heat and mass transfer.1998.41:3781-3791.

[7]Douglas Thurman,Philip Poinsatte.Experimental heat transfer and bulk air temperature measurements for a multipass internal cooling model with ribs and bleed[J].ASME Journal of Turbomachinery,2001,123(1):90-96.

[8] 郭濤，朱惠人，許都純，等.熱色液晶瞬態(tài)測(cè)量全表面換熱系數(shù)的技術(shù)研究[J].測(cè)控技術(shù),2006,25(9):67-69.