張 玲,李英東,王建龍,董宇航
(東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,吉林吉林132012)
燃?xì)廨啓C(jī)渦輪轉(zhuǎn)子前燃?xì)鉁囟鹊纳呖纱蟠筇嵘到y(tǒng)凈輸出功量與循環(huán)熱效率[1],但這也相應(yīng)增大了渦輪葉片的熱負(fù)荷,需要采取高效的冷卻措施穩(wěn)定葉片內(nèi)的溫度水平,確保機(jī)械的正常運(yùn)行及材料的工作壽命[2]。擾流柱冷卻可以增加冷卻氣體的湍流度及葉片內(nèi)的換熱面積,對(duì)尾部結(jié)構(gòu)起支撐作用,是葉片尾緣冷卻的重要方法[3-4]。因此,擾流柱陣列換熱特性的研究對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)冷卻技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。
國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)擾流柱陣列的換熱性能進(jìn)行了大量的探索。朱惠人等[5-7]研究了不同直徑及形狀擾流柱陣列的端壁傳熱特效。譚曉茗等[8]對(duì)比了四種不同截面形狀擾流柱在梯形通道內(nèi)的換熱差異。凌長(zhǎng)明等[9]總結(jié)了能夠獲得最大換熱量的擾流柱形狀曲線(xiàn)。鄧丁元等[10]對(duì)橢圓形擾流柱的換熱與壓降特性進(jìn)行了研究。Chang等[11]研究了擾流柱與端壁面不接觸時(shí)通道內(nèi)的傳熱與壓降性能。Rao等[12]在矩形通道內(nèi)構(gòu)建了一種擾流柱與窩槽相結(jié)合的復(fù)合結(jié)構(gòu),并與單純擾流柱結(jié)構(gòu)的傳熱性能進(jìn)行了對(duì)比研究。Zhao等[13]對(duì)圓形與方形擾流柱的冷卻效果進(jìn)行了分析與優(yōu)化。Ames等[14-15]研究了冷卻流體湍流程度對(duì)擾流柱陣列中線(xiàn)部分傳熱及壓力分布的影響。Chyu等[16]采用瞬態(tài)液晶技術(shù)對(duì)長(zhǎng)擾流柱陣列的換熱性能進(jìn)行了研究,指出擾流柱的傳熱系數(shù)比端壁高出35%~70%。Yeom[17]對(duì)微型擾流柱的傳熱與壓降特性進(jìn)行了評(píng)估。
分析上述研究發(fā)現(xiàn),其探索方向多集中在擾流柱直徑、長(zhǎng)度及柱本身的截面形狀上,且所涉及的實(shí)度(即擾流柱軸向投影到端壁所占的面積[18])范圍僅在12%~27%之間,對(duì)此實(shí)度范圍外擾流柱陣列的換熱過(guò)程研究較少,特別是對(duì)高實(shí)度(高于40%)領(lǐng)域的研究。為此,本文在矩形與收斂?jī)煞N通道內(nèi),對(duì)實(shí)度等級(jí)達(dá)45%的圓形擾流柱的換熱及流動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬,得到通道內(nèi)傳熱與壓力損失的變化規(guī)律,并對(duì)兩種通道換熱效果進(jìn)行對(duì)比。本研究在填補(bǔ)高實(shí)度領(lǐng)域研究相對(duì)不足的同時(shí),還可為葉片尾緣最優(yōu)冷卻結(jié)構(gòu)提供參考和依據(jù)。
文中模型參數(shù)選自文獻(xiàn)[18],圖1為兩種通道內(nèi)高實(shí)度擾流柱陣列的俯視圖與側(cè)視圖。冷卻氣體從通道左側(cè)入口進(jìn)入,沿程依次經(jīng)過(guò)預(yù)備流動(dòng)空間、三排絕熱擾流柱陣列和五排換熱擾流柱陣列。其中預(yù)備流動(dòng)空間、三排絕熱擾流柱陣列為冷卻氣體流動(dòng)的預(yù)備段,其作用是使氣體更貼近實(shí)際工作下的湍流狀態(tài),但不參與換熱;五排換熱擾流柱整列區(qū)域?yàn)槔鋮s氣體流動(dòng)的換熱段,是研究的主要換熱區(qū)域。擾流柱在通道內(nèi)的排列方式為叉排排列,實(shí)度為45%,直徑D為20.12 mm,流向間距(X/D)為1.043,橫向間距(Z/D)為1.674,矩形通道高度為0.950D,收斂通道中換熱段進(jìn)口高度為0.930D,出口高度為0.325D。由于通道內(nèi)冷卻氣體在橫向上的流動(dòng)狀態(tài)及換熱效果存在周期性,故對(duì)擾流柱陣列中一個(gè)周期單元進(jìn)行建模和計(jì)算。兩種通道的三維幾何模型見(jiàn)圖2。
選取六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)兩種通道模型進(jìn)行網(wǎng)格構(gòu)建,采用O型邊界層加密提高網(wǎng)格質(zhì)量。擾流柱外部環(huán)形區(qū)域?yàn)橹饕獡Q熱區(qū)域,對(duì)此區(qū)域單獨(dú)劃分加密以確保更加精確的模擬結(jié)果。圖3為以矩形通道為例的網(wǎng)格效果圖。在相同條件下,對(duì)數(shù)量分別為89萬(wàn)、147萬(wàn)、283萬(wàn)的網(wǎng)格模型進(jìn)行計(jì)算,并對(duì)通道內(nèi)換熱段的傳熱效果進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果發(fā)現(xiàn)三種網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果誤差較小。其中89萬(wàn)與283萬(wàn)網(wǎng)格模型的計(jì)算誤差在1%以?xún)?nèi)。本文矩形通道與收斂通道采用的網(wǎng)格數(shù)量為89萬(wàn)。
先采用Standard k-ε湍流模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算。近壁區(qū)采用加強(qiáng)壁面函數(shù)法,通用控制方程的離散采用有限體積法,對(duì)流項(xiàng)差分格式采用二階迎風(fēng)格式,流體壓力-速度耦合基于SIMPLE算法,計(jì)算所得穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)作為非穩(wěn)態(tài)階段計(jì)算的初始值。非穩(wěn)態(tài)計(jì)算采用SST k-ω湍流模型,計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)定為0.000 1 s。邊界條件設(shè)置為:冷卻通道為速度進(jìn)口和壓力出口,通道側(cè)壁面為周期性邊界,上、下端壁面及擾流柱表面采用無(wú)滑移壁面。冷卻通道內(nèi)換熱段擾流柱陣列給定靜溫為350 K;兩種通道內(nèi)的冷卻工質(zhì)為空氣,其物性參數(shù)取溫度為300 K時(shí)的定值。文中相關(guān)計(jì)算參數(shù)定義如下:
冷卻通道內(nèi)擾流柱陣列實(shí)度
式中:Ap為每排擾流柱陣列中柱身軸向投影在端壁上所占的面積,Ae為每排擾流柱陣列所對(duì)應(yīng)的端壁面積。
換熱段擾流柱進(jìn)口雷諾數(shù)
式中:Umax為通道最小截面處的冷卻氣體速度,ρ為冷卻氣體密度,μ為冷卻氣體動(dòng)力粘度。ReD選取范圍為3 000~20 000。
擾流柱陣列換熱系數(shù)
式中:Twall為換熱壁面給定靜溫,Tbulk=(Tin+Tout)/2為擾流柱進(jìn)出口冷卻氣體溫度的平均值。
擾流柱陣列努賽爾數(shù)
式中:k為冷卻氣體的導(dǎo)熱系數(shù)。
以壓力損失系數(shù)表示冷卻氣體的流動(dòng)損失[10]。矩形通道的壓力損失系數(shù)
式中:Δp為冷卻通道進(jìn)出口靜壓差,N為擾流柱排數(shù)。
收斂通道的壓力損失系數(shù)
圖4為不同進(jìn)口雷諾數(shù)下,兩種通道內(nèi)高實(shí)度擾流柱陣列換熱段平均努塞爾數(shù)和壓力損失系數(shù)的計(jì)算值與試驗(yàn)值的對(duì)比??煽闯鰞煞N通道內(nèi)換熱段平均努賽爾數(shù)和壓力損失系數(shù)計(jì)算與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分布規(guī)律相一致,在雙Y軸指數(shù)坐標(biāo)系中均呈線(xiàn)性分布,且保持相同的升降趨勢(shì)。其中努賽爾數(shù)的計(jì)算值與試驗(yàn)值的誤差較小,且都隨進(jìn)口雷諾數(shù)的升高而降低;壓力損失系數(shù)計(jì)算與試驗(yàn)的誤差在1.1%左右??梢?jiàn),計(jì)算值與試驗(yàn)值相互吻合,兩種通道所采用的數(shù)值模型與計(jì)算方法能很好地計(jì)算出通道內(nèi)的換熱效果與流動(dòng)阻力。
冷卻氣體流經(jīng)高實(shí)度擾流柱時(shí),由于兩種通道的結(jié)構(gòu)差異其流動(dòng)狀態(tài)有較大的不同。在通道1/2軸向高度處截取一平面(收斂通道的截取高度以出口高度值為基準(zhǔn)),對(duì)兩種通道截面內(nèi)在同一進(jìn)口雷諾數(shù)下的冷卻氣體流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較分析。圖5為ReD=10 000工況下兩種通道截面內(nèi)換熱段第四、第五排擾流柱區(qū)域的俯視面與側(cè)視面流線(xiàn)圖。俯視圖中,冷卻氣體在擾流柱的高實(shí)度分布排列下,其主流流線(xiàn)繞流曲率較大,相鄰主流相互作用影響使柱后尾渦發(fā)展面積受限。對(duì)比分析兩種通道俯視流線(xiàn)結(jié)構(gòu),其冷卻氣體流動(dòng)規(guī)律相同,收斂通道中柱后尾渦規(guī)模略顯收縮。側(cè)視圖中,兩種通道內(nèi)相鄰主流冷卻氣體交匯點(diǎn)均靠近前排擾流柱,呈發(fā)散性連接前排尾渦與下游主流冷卻氣體。其中矩形通道冷卻氣體流線(xiàn)于軸向呈對(duì)稱(chēng)分布,中部冷卻氣體與上下兩端冷卻氣體分界明顯。但收斂通道高度的逐漸降低使冷卻氣體軸向流動(dòng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大變化,其流線(xiàn)分布于軸向不再對(duì)稱(chēng),相鄰主流冷卻氣體交匯點(diǎn)上移至端壁表面,而且中部冷卻氣體與上端冷卻氣體分界層消失,在其前排擾流柱尾部上端產(chǎn)生一尾渦。
當(dāng)冷卻氣體流經(jīng)單個(gè)擾流柱時(shí),柱前半部分為冷卻氣體增速區(qū)并在柱兩側(cè)速度達(dá)到最大,柱后為流體減速區(qū)產(chǎn)生尾部旋渦。圖6為ReD=10 000工況下兩種通道內(nèi)冷卻氣體的速度分布。可看出通道內(nèi)冷卻氣體沿流向的速度分布規(guī)律受到擾流柱的高實(shí)度分布影響,其前排擾流柱的減速區(qū)與下游擾流柱的增速區(qū)相近,使主流冷卻氣體的流動(dòng)速度還未降到最低就再一次提升,沿流向呈現(xiàn)高低相間的分布趨勢(shì)。在冷卻氣體速度的整體變化趨勢(shì)上,兩種通道存在較大差異。矩形通道內(nèi)冷卻氣體在進(jìn)入擾流柱陣列速度得到一定程度的提升后,單排擾流柱陣列間的流體速度分布相近,對(duì)應(yīng)擾流柱區(qū)域內(nèi)的速度差異較小。而收斂通道中冷卻氣體速度則因流向截面收縮受到影響,其整體速度呈現(xiàn)逐排增加趨勢(shì),單排擾流柱增速區(qū)域的速度梯度變化較大。
圖7為兩種通道內(nèi)換熱段端壁溫度的分布。因受擾流柱高實(shí)度排列影響,端壁面積只占單排投影面積的55%,低溫面積比重較大,且多集中在擾流柱外的環(huán)形區(qū)域。兩種通道內(nèi)端壁溫度分布規(guī)律較相似,端壁冷卻效果受到冷卻氣體受熱程度的影響,越接近上游端壁溫度越低。同時(shí),冷卻氣體由于擾前部分的增速流動(dòng),削弱了端壁區(qū)域的邊界層,從而使柱前半部分所對(duì)應(yīng)的端壁溫度相比下游要低。對(duì)比兩種通道端壁溫度發(fā)現(xiàn),收斂通道內(nèi)略高的冷卻氣體流動(dòng)速度并沒(méi)有帶來(lái)端壁溫度的明顯變化??梢?jiàn)端壁邊界層雖然被削弱,但在高實(shí)度擾流柱分布下其擾動(dòng)程度也有所增加,冷卻氣體受熱速度加快,換熱溫差的變小使收斂通道端壁溫度改善程度變低,兩種通道溫度分布相近。
擾流柱表面的溫度降低幅度相比端壁面的低。圖8為兩種通道內(nèi)換熱段擾流柱表面的溫度分布??煽闯觯瑔蝹€(gè)擾流柱表面溫度變化呈前低后高的趨勢(shì),且每排擾流柱間的溫度分布較相似。擾流柱前端受冷卻氣體沖擊冷卻,其溫度降幅最為明顯。隨后冷卻氣體邊界層逐漸增厚溫度降幅開(kāi)始減小,并在柱后形成較差的換熱區(qū)。雖然此處冷卻氣體回流形成沖擊,但作用面積太小對(duì)柱尾溫度改變不明顯。同時(shí)冷卻氣體在軸向上受熱不均,使擾流柱表面出現(xiàn)溫度分層現(xiàn)象。相比較,收斂通道內(nèi)柱前端溫度更低,其低溫區(qū)向下游延伸使其面積有所增加。在軸向溫度分層效果上,收斂通道受上部端壁傾斜的影響,上部低溫區(qū)相比矩形通道向后擴(kuò)散。
圖9為換熱段擾流柱陣列整體努賽爾數(shù)分布。圖中顯示矩形與收斂陣列中努賽爾數(shù)均隨進(jìn)口雷諾數(shù)的增加呈指數(shù)上升趨勢(shì)。在本文給定的雷諾數(shù)范圍內(nèi),收斂通道的努賽爾數(shù)均高于矩形通道的,且在低雷諾數(shù)階段差距較大。進(jìn)口雷諾數(shù)的增加會(huì)改善冷卻氣體流動(dòng)狀況并削弱邊界層,但流體的固有粘性使邊界層厚度的減小程度逐漸降低,造成換熱效果提升速度放緩,所以?xún)煞N通道內(nèi)的整體努賽爾數(shù)差距隨著進(jìn)口雷諾數(shù)的增加逐漸減小。
圖10為兩種通道內(nèi)不同進(jìn)口雷諾數(shù)工況下冷卻氣體流動(dòng)方向的努賽爾數(shù)分布??煽闯觯M(jìn)口雷諾數(shù)為3 000時(shí),矩形通道內(nèi)的換熱效果沿流向呈略微降低趨勢(shì)。此時(shí)通道內(nèi)冷卻氣體湍流度較低,其換熱效果主要由冷卻氣體與壁面的換熱溫差決定,冷卻氣體的沿程加熱使擾流柱陣列的換熱效果逐漸減弱。隨著進(jìn)口雷諾數(shù)的升高,冷卻氣體流速增加,擾流柱對(duì)主流冷卻氣體的擾動(dòng)效果增強(qiáng)。雖然單排擾流柱的擾動(dòng)效果沿流向逐漸降低,但其疊加效果在換熱段下游達(dá)到最大,與換熱溫差的共同作用使通道的沿程換熱分布出現(xiàn)波動(dòng),其換熱效果在第二、第四排擾流柱陣列處達(dá)到峰值。收斂通道內(nèi)的換熱效果雖在相同排列出現(xiàn)數(shù)值波動(dòng)點(diǎn),但在冷卻氣體流速的影響下?lián)Q熱效果整體呈持續(xù)增大趨勢(shì)。相比較,除第一排換熱效果差距不大外,矩形通道的下游換熱效果均低于收斂通道的,且對(duì)應(yīng)排列的換熱差值不斷增大。
圖11為兩種通道內(nèi)壓力損失系數(shù)的分布。從圖11(a)可看出,矩形通道內(nèi)的壓力損失系數(shù)隨進(jìn)口雷諾數(shù)的升高而降低,在流向上呈先降低后升高的趨勢(shì),同一進(jìn)口雷諾數(shù)下冷卻氣體流經(jīng)第一排擾流柱陣列時(shí)的壓力損失最大。不同進(jìn)口雷諾數(shù)下的壓力損失系數(shù)分布主要受流體粘性的影響,進(jìn)口雷諾數(shù)越低冷卻氣體流動(dòng)能力越小,粘性作用也就越明顯,增大了流體的流動(dòng)阻力。而沿程壓力損失系數(shù)的分布主要受到冷卻氣體所受擾動(dòng)效果的影響,中游擾流柱陣列擾動(dòng)效果疊加,削弱了冷卻氣體的流動(dòng)能力及對(duì)柱表面的沖擊力,壓力損失系數(shù)逐步下降;但下游冷卻氣體擾動(dòng)的疊加作用減弱,通道內(nèi)壓力損失系數(shù)再次升高,使壓力損失系數(shù)沿流向呈先降低后升高的趨勢(shì)。
從圖11(b)可看出,收斂通道內(nèi)壓力損失系數(shù)也隨進(jìn)口雷諾數(shù)的升高而降低,但沿流向呈持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì),且增長(zhǎng)速度不斷增加,近50%的壓力損失發(fā)生在擾流柱的最后一排。通道內(nèi)氣體流動(dòng)截面的收縮使氣體的沿程流動(dòng)阻力增大,同時(shí)冷卻氣體流速的增加使其本身的沖擊作用增強(qiáng),壓力損失系數(shù)不斷升高。
(1)矩形通道內(nèi)冷卻氣體速度沿流向變化較??;收斂通道內(nèi)由于氣體流場(chǎng)結(jié)構(gòu)相比矩形通道差異較大,冷卻氣體速度沿流向增加,對(duì)通道內(nèi)流動(dòng)損失及換熱效果的影響增大。
(2)矩形通道與收斂通道端壁溫度相差不大,收斂通道內(nèi)冷卻氣體速度的增加并沒(méi)有帶來(lái)太多溫度分布上的改善;擾流柱表面溫度在軸向上出現(xiàn)分層趨勢(shì),矩形通道內(nèi)擾流柱表面溫度于軸向呈對(duì)稱(chēng)分布,收斂通道內(nèi)擾流柱上部表面的低溫區(qū)面積相比矩形通道的更大。
(3)矩形通道與收斂通道內(nèi)擾流柱的平均換熱效果均隨進(jìn)口雷諾數(shù)的增加呈指數(shù)上升趨勢(shì),相比較收斂通道的更高,但兩者差距隨雷諾數(shù)的提升逐漸縮小。
(4)通道內(nèi)沿程換熱效果隨進(jìn)口雷諾數(shù)的升高發(fā)生波動(dòng),矩形通道呈高低起伏趨勢(shì),收斂通道呈持續(xù)上升趨勢(shì)。同一進(jìn)口雷諾數(shù)下,矩形通道平均換熱效果約低于收斂通道15%~30%,對(duì)應(yīng)單排的換熱差值沿流向呈增大趨勢(shì)。
(5)冷卻氣體的壓力損失系數(shù)隨進(jìn)口雷諾數(shù)的升高呈指數(shù)下降趨勢(shì)。矩形通道內(nèi)壓力損失系數(shù)沿流向先降低再升高,收斂通道內(nèi)則呈持續(xù)上升趨勢(shì),且最后一排擾流柱區(qū)域的壓力損失占整個(gè)壓力損失的近50%。
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