旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下矩形微小通道流動(dòng)與換熱試驗(yàn)研究

孫浩峰，孫紀(jì)寧

（北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京100191）

旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下矩形微小通道流動(dòng)與換熱試驗(yàn)研究

孫浩峰，孫紀(jì)寧

（北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京100191）

為了研究微小通道結(jié)構(gòu)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片中應(yīng)用的前景和可行性，以空氣為冷卻介質(zhì)，在Re＝1000～3000、轉(zhuǎn)速為0～500 r/min、Ro＝0～3.5×10-3條件下，對(duì)水力直徑為1 mm的旋轉(zhuǎn)微小通道組的流動(dòng)和換熱特性進(jìn)行試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：微小通道流阻系數(shù)呈現(xiàn)粗糙壁通道特征，通道臨界Re≈2350，流阻系數(shù)以及臨界Re隨轉(zhuǎn)速增加未見明顯改變。在靜止?fàn)顟B(tài)下，通道組綜合換熱系數(shù)隨Re增大而增大，換熱系數(shù)分布沿流動(dòng)方向逐漸減?。辉谛D(zhuǎn)狀態(tài)下，通道組平均綜合換熱系數(shù)略有增大，旋轉(zhuǎn)對(duì)換熱特性的影響隨著流動(dòng)的發(fā)展而增大。

微小通道；流阻系數(shù)；臨界雷諾數(shù)；換熱；旋轉(zhuǎn)

0 引言

隨著航空渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)性能提升，要求發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前溫度不斷提高。通過縮小通道尺寸以增加換熱面積的方法可以有效提高葉片冷卻效果，但受加工工藝限制，目前可以實(shí)現(xiàn)的最小通道尺寸為0.1～1.0 mm量級(jí)。典型結(jié)構(gòu)為微小通道氣膜新型復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)[1]。

Hetsroni[2-3]等通過對(duì)可實(shí)現(xiàn)的最小通道的研究發(fā)現(xiàn)，微小通道中氣體在充分發(fā)展的層流中，試驗(yàn)獲得的阻力系數(shù)可以與傳統(tǒng)理論預(yù)測(cè)值很好地吻合，臨界Re=1800～2200；Poh-Seng Lee[4]等認(rèn)為微小通道內(nèi)流動(dòng)特性與傳統(tǒng)N-S方程的預(yù)測(cè)結(jié)果十分接近；Pfund[5]等人發(fā)現(xiàn)，光滑矩形微小通道的臨界Re=2000，試驗(yàn)獲得的Po大于理論預(yù)測(cè)值。

同時(shí)，Poh-Seng Lee[4]、劉慶東[7]、馬世巖[8]對(duì)微小通道結(jié)構(gòu)的換熱效果進(jìn)行了研究。結(jié)果表明微小通道結(jié)構(gòu)可以大大提高換熱效率，但強(qiáng)化幅度并未達(dá)成統(tǒng)一結(jié)論。

另外，渦輪轉(zhuǎn)子葉片具有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)。通過對(duì)常規(guī)尺寸旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的研究發(fā)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)對(duì)通道流動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生重要影響，隨著旋轉(zhuǎn)數(shù)的增加影響效果顯著加強(qiáng)[9]；由于流動(dòng)狀態(tài)的改變，旋轉(zhuǎn)通道的換熱效果也有所改變[10]。但旋轉(zhuǎn)效應(yīng)對(duì)微小通道是否存在影響的研究仍處于空白。

為此，本文在原尺寸狀態(tài)下對(duì)渦輪葉片尺度的微小通道的臨界Re及外壁面綜合換熱系數(shù)進(jìn)行研究，并考慮旋轉(zhuǎn)效應(yīng)對(duì)二者的影響。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃拖到y(tǒng)

為研究臨界Re以及通道流阻特性，定義通道內(nèi)流動(dòng)阻力系數(shù)f及Re

式中：ΔP為通道兩端總壓壓差；L為通道長(zhǎng)度；dh為通道截面水力直徑；u為特征速度。

定義泊肅葉數(shù)Po

為研究微小通道換熱特性，定義綜合對(duì)流換熱系數(shù)hχ

式中：Ω為轉(zhuǎn)速。

本試驗(yàn)利用銅的高導(dǎo)熱系數(shù)特性，采用銅塊-加熱膜組合加熱單元，模擬局部等壁溫邊界條件，并在非換熱面加絕熱材料，減小熱損失?？偧訜峁β蕅可通過計(jì)算加熱膜發(fā)熱功率（q=U×I）獲得，銅塊內(nèi)埋設(shè)熱電偶測(cè)量銅塊溫度即壁溫Tw，如圖1所示。

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

整體試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D2（a）所示。為提高冷氣流量測(cè)試精度，試驗(yàn)采用微小通道組的方法進(jìn)行，即采用50個(gè)通道的通道組結(jié)構(gòu)，各通道流量均勻分配，流量

式中：λ為冷卻空氣導(dǎo)熱系數(shù)。

為研究旋轉(zhuǎn)效應(yīng)對(duì)流動(dòng)及換熱的影響，定義旋轉(zhuǎn)數(shù)Ro

式中：q為總加熱功率；qloss為熱損失功率；A為換熱面積；Tw為通道外壁面溫度；Tf為當(dāng)?shù)刂髁鳒囟?，利用進(jìn)出口流體溫度線性插值獲得。

圖1 加熱單元結(jié)構(gòu)

定義無(wú)量綱綜合換熱系數(shù)Nuχ測(cè)點(diǎn)處的流量大大增加，從而減小測(cè)量誤差，如圖2 （b）所示。每個(gè)通道的截面尺寸為0.6 mm×3 mm，水力直徑為1 mm，通道壁厚0.6 mm。

試驗(yàn)通道組總長(zhǎng)度為150 mm。其中：進(jìn)口段30 mm，用于冷卻氣流在通道內(nèi)充分發(fā)展；試驗(yàn)段100 mm，沿流向被平均分成5個(gè)加熱點(diǎn)單獨(dú)加熱，各加熱點(diǎn)之間的加熱熱流相等，相鄰加熱單元間用絕熱材料進(jìn)行絕熱處理，其中兩端加熱點(diǎn)為通道提供絕熱邊界，中間3個(gè)加熱點(diǎn)為試驗(yàn)點(diǎn)；出口段20 mm，用于消除出口段對(duì)通道出口處流動(dòng)的擾動(dòng)。對(duì)整個(gè)試驗(yàn)件的數(shù)值模擬結(jié)果顯示，無(wú)論是在靜止?fàn)顟B(tài)還是在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，各通道間流量分配的不平均度小于2%。

相鄰銅塊之間通過2 mm厚的尼龍墊片進(jìn)行隔熱，尼龍導(dǎo)熱系數(shù)為銅的1/2000。在試驗(yàn)室工況下，通過尼龍絕熱墊片的熱流不高于銅塊加熱熱流的4%。

本試驗(yàn)采用徑向入流的流動(dòng)方式，如圖2（c）所示，冷卻氣體從高旋轉(zhuǎn)半徑流向低旋轉(zhuǎn)半徑。

圖2 試驗(yàn)件通道組結(jié)構(gòu)

本試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谠囼?yàn)通道入口和出口端設(shè)有集氣腔，對(duì)腔內(nèi)氣體總壓進(jìn)行測(cè)量，通過數(shù)值模擬驗(yàn)證可知集氣腔內(nèi)總壓和通道組進(jìn)、出口處總壓相差不大，從而通過測(cè)量腔內(nèi)總壓得到通道進(jìn)、出口總壓差。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)臺(tái)如圖3所示，由進(jìn)氣段、主支撐段、試驗(yàn)段和數(shù)據(jù)采集段組成。在冷氣入口前段通過熱式流量計(jì)測(cè)量冷卻空氣的質(zhì)量流量，通過旋轉(zhuǎn)進(jìn)氣接頭實(shí)現(xiàn)冷卻空氣由靜止到旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)化。試驗(yàn)件安裝在試驗(yàn)段，由熱電偶測(cè)量的溫度信號(hào)通過旋轉(zhuǎn)亞當(dāng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，測(cè)試系統(tǒng)及加熱膜的供電和數(shù)據(jù)信號(hào)輸出通過滑環(huán)引電器實(shí)現(xiàn)動(dòng)靜轉(zhuǎn)化，壓力信號(hào)則直接通過尾部的旋轉(zhuǎn)測(cè)壓接頭引出，在靜止條件下直接測(cè)量。

圖3 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)供氣系統(tǒng)包括空氣壓縮機(jī)、空氣過濾器、穩(wěn)壓腔、穩(wěn)壓閥、電動(dòng)流量調(diào)節(jié)裝置以及熱式質(zhì)量流量計(jì)?？諝饨?jīng)供氣系統(tǒng)的穩(wěn)壓除塵處理后進(jìn)入試驗(yàn)臺(tái)。旋轉(zhuǎn)進(jìn)氣接口及試驗(yàn)臺(tái)中引氣管道嚴(yán)格密封，在進(jìn)入試驗(yàn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)進(jìn)氣接口之前測(cè)量流量，不會(huì)產(chǎn)生誤差。

2 結(jié)果分析

2.1 靜止?fàn)顟B(tài)

Po隨Re的變化曲線如圖4所示。從圖中可見，通道Po隨Re的增大而增大。這與經(jīng)典理論的常規(guī)尺度光滑圓管層流狀態(tài)下Po=64的結(jié)論不同。而非光滑壁面通道在層流段Po隨Re的增大而增大[11]，與本試驗(yàn)結(jié)果相吻合。所以采用線切割工藝加工的試驗(yàn)表面在微小通道內(nèi)不能認(rèn)為是光滑壁面。

圖4 在靜止?fàn)顟B(tài)下Po與Re的關(guān)系

流阻系數(shù)f隨Re的變化規(guī)律如圖5所示。從圖中可見，通道內(nèi)的流阻大于常規(guī)尺度光滑圓管的。Re增大到2350時(shí)，流阻系數(shù)出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折現(xiàn)象，表明此時(shí)已經(jīng)進(jìn)入層流和湍流間的過渡流動(dòng)狀態(tài)[12]。

圖5 流阻系數(shù)f與Re的關(guān)系

3個(gè)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)及平均Nuχ隨Re的變化規(guī)律如圖6所示。試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)沿流動(dòng)方向分為P1、P2、P3。從圖中可見Nuχ隨Re的增大而增大。

圖6 在靜止?fàn)顟B(tài)下Nux隨Re的變化規(guī)律

式中：L*為試驗(yàn)點(diǎn)與試驗(yàn)段入口的距離；Lexp為試驗(yàn)段總長(zhǎng)度。

在靜止?fàn)顟B(tài)下Nuχ隨χ變化趨勢(shì)如圖7所示。從圖中可見，通道的換熱效果沿流動(dòng)方向逐漸減弱，由于微小通道結(jié)構(gòu)有很強(qiáng)的流向?qū)嵝Ч诟髟囼?yàn)點(diǎn)加熱熱流相同的情況下，沿流動(dòng)方向，通道內(nèi)當(dāng)?shù)刂髁鳒囟壬?，壁溫也升高，在流向?qū)岬淖饔孟拢瑹崃鲿?huì)向通道進(jìn)口方向傳導(dǎo)，使得進(jìn)口處的局部換熱效果增強(qiáng)。

2.2 旋轉(zhuǎn)狀態(tài)

在不同轉(zhuǎn)速下Po隨Re的變化曲線如圖8所示。

為了研究試驗(yàn)通道沿流動(dòng)方向換熱效果的分布，定義無(wú)量綱數(shù)χ為試驗(yàn)點(diǎn)的無(wú)量綱徑向距離從圖中可見，在本試驗(yàn)工況范圍內(nèi)，Po隨轉(zhuǎn)速的變化改變不明顯。在不同轉(zhuǎn)速下流阻系數(shù)f隨Re的變化曲線如圖9所示，從圖中可見，隨著轉(zhuǎn)速的增大，通道的臨界Re變化也不明顯。

圖7 在靜止?fàn)顟B(tài)下Nux隨x變化趨勢(shì)

圖8 在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下Po隨Re的變化趨勢(shì)

圖9 在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下f隨Re的變化趨勢(shì)

為對(duì)比旋轉(zhuǎn)與靜止?fàn)顟B(tài)的差別，定義旋轉(zhuǎn)換熱系數(shù)比α

式中：Nus為靜止?fàn)顟B(tài)下綜合換熱系數(shù)。

平均旋轉(zhuǎn)換熱系數(shù)比和沿程旋轉(zhuǎn)換熱系數(shù)比隨Ro的變化趨勢(shì)如圖10所示。從圖10（a）可見，通道平均Nuχ隨著Ro的增大而增大。旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的二次流對(duì)后緣面的沖擊作用強(qiáng)化了通道內(nèi)部的換熱效果。Wen-Lung Fu等[10]在試驗(yàn)工況為550 r/min時(shí)，對(duì)寬高比為1∶4的常規(guī)尺度矩形通道的試驗(yàn)結(jié)果顯示，在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下、Re=3000時(shí)，α=3左右。而本試驗(yàn)中雖然轉(zhuǎn)速和寬高比與其相似，但是在相同Re下α僅約為1.04。這種換熱增強(qiáng)效果的差異，是由于本試驗(yàn)為原尺寸微小通道模型，水力直徑比上述常規(guī)尺度通道的小，在相同轉(zhuǎn)速和Re的條件下，Ro為其1/140左右，所以通道內(nèi)的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)很弱，由哥氏力產(chǎn)生的二次流的流動(dòng)效果很弱，對(duì)換熱的強(qiáng)化作用并不明顯。從圖10（b）、（c）可見，在通道入口處，Nuχ和Ro并沒有明顯的關(guān)系，但隨著流動(dòng)的發(fā)展，Nuχ隨著Ro的增大而增大的現(xiàn)象逐漸明顯。P1試驗(yàn)點(diǎn)Nuχ隨Ro的變化不明顯是由于較弱的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)無(wú)法使二次流在進(jìn)口段就充分形成。表明在微小通道內(nèi)二次流始終處于不斷增強(qiáng)的發(fā)展過程中。

圖10 在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下α與Ro的關(guān)系

3 結(jié)論

（1）本試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮陟o止?fàn)顟B(tài)下，在Re<2300時(shí)，Po隨Re的增大而增大，與光滑通道理論結(jié)果不符，所以在微小通道結(jié)構(gòu)中，采用線切割等傳統(tǒng)工藝加工的試驗(yàn)件表面不能視為光滑壁面，粗糙度會(huì)對(duì)通道流動(dòng)特性產(chǎn)生影響。

（2）本試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮陟o止?fàn)顟B(tài)下，通道臨界Re約為2350。

（3）在靜止?fàn)顟B(tài)下，通道Nuχ隨著Re的增大而增大，且進(jìn)口段換熱效果更強(qiáng)。

（4）在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，在本試驗(yàn)的試驗(yàn)工況范圍內(nèi)，通道流阻系數(shù)和臨界Re均沒有明顯變化。平均Nuχ隨Ro的增大略有增大，其主要原因在于微小通道的幾何尺寸較小，導(dǎo)致Ro很小，旋轉(zhuǎn)效應(yīng)不夠顯著。但在一定轉(zhuǎn)速下，局部Nuχ沿流動(dòng)方向增大幅度提高，表明在微小通道內(nèi)二次流始終處于不斷增強(qiáng)的發(fā)展過程中。

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Experimental Study on Flow and Heat Transfer of Rectangular Microchannels on Rotating State

SUN Hao-feng,SUN Ji-ning
（School of Jet Propulsion,Beihang University,Beijing 100191,China）

In order to find a way to use the microchannels into aeroengine turbine blades,the experimental investigation was conducted to explore the flow and heat transfer behaviors in the rectangular microchannels, which hydraulic diameter is 1mm,taken air as coolant,in which the range of the Reynolds number is from 1000 to 3000.The rotating velocity varies from 0 to 500 r/min.The rotating numbers are changing from 0 to 3.5×10-3.The results showed that the flow resistance coefficient of the microchannels renders the rough wall characteristics.The critical Reynolds number is about 2350.With the increasing of the rotating velocity,the flow resistance coefficient and the critical Reynolds number shows no significant change.In the stationary state,the integrated heat transfer coefficient is increasing with the Reynolds number,but its distribution go down along the flow direction.In the rotating state,the integrated heat transfer coefficient increases slightly.The influence of rotating on the heat transfer characteristics increases with the developing of the flow.

microchannel;flow resistance coefficient;critical Re number;heat transfer;rotating

孫浩峰（1988），男，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)橛?jì)算傳熱和試驗(yàn)傳熱。

國(guó)家自然科學(xué)基金（51006008）資助

2012-09-25