肋片結(jié)構(gòu)的沖擊強(qiáng)化換熱特性研究

曾文明，譚曉茗，單 勇

(南京航空航天大學(xué) 能源與動力學(xué)院 江蘇省航空動力系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210016)

射流沖擊由于沖擊流程短且被冷卻表面流動邊界層薄，是一種極其有效的強(qiáng)化局部傳熱或傳質(zhì)的方法[1-3]，在航空航天、機(jī)械加工、電子器件冷卻等方面應(yīng)用廣泛[4-6]，也取得了豐富的研究成果。Farhana等[7]對二維湍流雙斜縫射流進(jìn)行研究，表明射流孔小于90°時，Nu由沖擊面處向周圍逐漸減小和平均Nu能更好地反映雷諾數(shù)大小，而沖擊角度對沖擊靶板間距反應(yīng)不靈敏。關(guān)濤等[8]研究了射流孔交錯偏置排布下的楔形凹腔表面對流換熱，結(jié)果表明：射流交錯孔偏置排布使得沖擊駐點(diǎn)區(qū)對流換熱增強(qiáng)，射流孔交錯偏距比宜選著在1倍射流孔直徑左右。Chaudhari等[9-10]研究了孔板參數(shù)對沖擊換熱的影響，發(fā)現(xiàn)孔板厚度與孔徑是腔內(nèi)對流換熱的重要影響參數(shù)。

對于高性能燃?xì)廨啓C(jī)高熱負(fù)荷部件的冷卻來說，單一射流沖擊的冷卻方式由于冷卻能力的限制已難以滿足需求，“沖擊-肋片”的復(fù)合冷卻具有結(jié)構(gòu)簡單、加工方便等優(yōu)點(diǎn)，已成為燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片內(nèi)部通道冷卻的主要方式。

國內(nèi)外研究人員對“沖擊-肋片”復(fù)合式的強(qiáng)化換熱開展了相關(guān)研究。Qiu等[11]對帶肋結(jié)構(gòu)的射流沖擊換熱特性進(jìn)行研究，結(jié)果表明：帶肋靶面射流沖擊換熱性能明顯高于單一射流沖擊。徐亞威等[12]對肋化平板射流沖擊換熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：間斷肋片形式比連續(xù)的肋片形式有更好的強(qiáng)化換熱效果，且沖擊間距為射流孔徑2倍時換熱效果較好。Tan等[13]對半封閉通道內(nèi)肋壁面射流沖擊換熱進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：肋壁區(qū)對流換熱提高了30%，倒V形肋更有利于對流換熱。譚蕾等[14]對半封閉肋化通道單排孔射流沖擊進(jìn)行研究，結(jié)果表明：沖擊間距對肋化部分換熱影響較大，V型肋化通道可獲得最佳換熱效果。Li等[15]對在射流孔傾斜陣列排布時低沖擊間距進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：在低沖擊間距下Nu沿流動方向逐漸減小且傾斜射流沖擊Nu與常規(guī)射流沖擊Nu相似。

本文基于某型渦輪導(dǎo)向葉片弦中心區(qū)冷卻，構(gòu)建“沖擊-肋片”復(fù)合冷卻模式。考慮到渦輪葉片弦中心區(qū)弧度較小，故簡化成平直通道進(jìn)行研究，主要分析沖擊射流與肋片的相對排布、射流沖擊雷諾數(shù)(Re)、肋片結(jié)構(gòu)等參數(shù)對渦輪葉片表面對流換熱的影響。

1 物理模型和計(jì)算方法

1.1 物理模型

本文以“沖擊-肋片”的肋化通道作為研究對象，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，由射流孔和帶肋的沖擊靶板組成。冷卻氣體從射流板上不同布置圓孔噴出后沖擊到靶板表面，并經(jīng)兩側(cè)排出。射流孔徑通道高H=4 mm、y方向每單元周期寬W/H=4以及L/H=16；沖擊孔直徑d=2 mm，孔橫向間距比P/d分別取2、2.65、4，排布方式如圖2所示，其中沖擊孔錯排時在保證射流沖擊孔開孔率不變，同時改變p和s為長菱形和正菱形。通道內(nèi)的肋片等距排布，肋片形狀分別是方形肋、梯形肋和三角肋(h為肋高，e為肋寬，h=e=1 mm)，肋間距P1/h=8。

圖1 沖擊-肋片復(fù)合冷卻示意圖

圖2 孔排結(jié)構(gòu)示意圖

鑒于物理模型的周期性結(jié)構(gòu)特征，計(jì)算域在y向的兩個端壁可以處理為周期性邊界，在計(jì)算過程中，相應(yīng)的邊界條件和物性參數(shù)選著如下：

進(jìn)口邊界條件：給定射流管進(jìn)口的進(jìn)口質(zhì)量流量，所對應(yīng)的射流雷諾數(shù)(Re)分別為6 000、14 000、22 000和30 000；湍流度設(shè)定為5%且水力直徑為射流孔孔徑d；氣流溫度為300 K。

出口邊界條件：設(shè)定出口為壓力出口，出口大氣壓為101 325 Pa。

沖擊靶板和肋邊界條件：采用無滑移壁面邊界條件，壁面和肋設(shè)定為恒定熱流，熱流密度為5 000 W/m2。

1.2 計(jì)算方法

采用ICEM對計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。圖3所示為肋和射流孔網(wǎng)格劃分。為了準(zhǔn)確模擬射流沖擊，在射流孔、肋壁面處采用附面層局部加密使得y+<5。為了驗(yàn)證網(wǎng)格的獨(dú)立性，本文設(shè)計(jì)了4套網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)分別為120萬、160萬、200萬和240萬，其差異主要是射流孔網(wǎng)格加密區(qū)及壁面和肋片近壁區(qū)加密所致。網(wǎng)格實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為200萬時，射流孔處溫度、速度以及靶面、肋片的溫度和換熱系數(shù)分別不再隨著網(wǎng)格量的增加而變化。

圖3 肋和射流孔網(wǎng)格劃分

利用Fluent軟件，采用剪切應(yīng)力輸運(yùn)SSTk-ω湍流模型，壓力場求解采用SIMPLEC算法進(jìn)行壓力-速度耦合求解，離散方程均采用二階迎風(fēng)差分格式進(jìn)行計(jì)算，收斂精度為10-5，殘差趨勢趨于平直且監(jiān)測面的溫度變化不大。

1.3 模型驗(yàn)證

湍流模型驗(yàn)證取自文獻(xiàn)[6]，射流雷諾數(shù)Re=10 000，H/d=2.0，L/d=41.7，W/d=10.42，射流孔直徑d=6 mm。得到x方向上壁面Nu的分布，Nu的計(jì)算式為

(2)

式中Dh、Tw、Tin分別是入口的水力直徑、壁面溫度和進(jìn)氣溫度。

圖4為平板表面沿著x方向上展向平均努塞爾數(shù)(Nu)計(jì)算值，與文獻(xiàn)[6]的對比得出，運(yùn)用SSTk-ω模型計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值相差約在8%以內(nèi)，其他對比相差均大于13.7%。而且文獻(xiàn)[3]運(yùn)用SSTk-ω模型，較好地預(yù)測了靶板的換熱特性。

圖4 計(jì)算結(jié)果的模型驗(yàn)證

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 肋片形狀的影響

選擇通道尺寸D/H=4，射流雷諾數(shù)Re=30 000，射流孔呈長菱形排布，研究光滑平板和肋片形狀分別為方形、梯形和三角形的流動換熱特性。圖5為y=0(橫截射流孔中心)截面上局部流場?？梢钥闯觯寒?dāng)射流孔長菱形排布時，射流沖擊直接沖擊到靶板上，在肋片周圍形成較明顯的渦流且肋為方形肋時較梯形肋和三角肋渦量尺度大，通道內(nèi)部兩側(cè)的流動不對稱。渦流的形成主要是由于肋的存在，隨著肋結(jié)構(gòu)改變，通道內(nèi)渦流相對也隨之改變。可以從圖5中看出：為三角肋時，通道內(nèi)渦流尺寸最大。渦量尺度增加主要是出現(xiàn)在肋片附近，在近壁處的氣流流動受阻導(dǎo)致相應(yīng)肋片處形成相對較大的角渦區(qū)。這一流動差異帶來的換熱影響如圖6所示。

圖6為不同肋結(jié)構(gòu)和光滑表面時靶板表面Nu的分布云圖。可以看出：在開孔率不變、射流孔為長菱形排布時，靶板和肋表面上射流沖擊駐點(diǎn)區(qū)Nu較高，此外由于橫流效應(yīng)使得對流換熱最弱的局部區(qū)域位于肋兩側(cè)；肋片結(jié)構(gòu)為三角形布置方式時，其對于靶面沖擊換熱面積較大且相對均勻，即不會出肋結(jié)構(gòu)為方形時對流換熱出現(xiàn)最強(qiáng)局部區(qū)域的情況。從圖中還可以看出：三角形肋的射流沖擊靶面的對流換熱最均勻；其次是梯形肋和方形肋，最后是光滑靶面。這主要是由于射流沖擊到靶板上時，三角肋受到流阻要小于梯形肋和方形肋，使得沖擊靶板上對流換熱最均勻，而射流沖擊到光滑靶板表面時駐點(diǎn)區(qū)Nu最大并沿著駐點(diǎn)向四周逐漸減小。此外，在橫流作用下y方向上換熱面積不均勻且存在較弱的局部對流換熱區(qū)域，如圖6(d)所示。

圖6 帶肋結(jié)構(gòu)和光滑靶板表面對流換熱影響

圖7顯示在通道尺寸W/H=4、射流雷諾數(shù)Re=30 000時，不同肋結(jié)構(gòu)對展向平均Nu分布的影響。這里，沿展向平均Nu定義為

(3)

式中Nu(s,x)為沖擊靶面的局部努塞爾數(shù)。

從圖7可以看到在射流雷諾數(shù)Re=30 000時3種不同排布下的射流孔對沖擊靶板展向Nuave,s分布的影響。不管射流孔如何排布，冷氣流直接沖擊靶板處的Nuave,s都存在峰值。注意到在肋結(jié)構(gòu)為三角形對靶板表面對流換熱相對均勻，最重要是在通道兩端的對流換熱更強(qiáng)。三角肋通道對應(yīng)的沖擊靶板上Nuave,s比梯形肋和光滑板面分別提高了7.1%和7.8%；梯形肋通道比方形肋通道上的Nuave,s提高了4.9%。

圖7 不同肋結(jié)構(gòu)通道和光滑靶板上展向Nuave,s分布

2.2 射流孔排布的影響

選擇三角形肋片結(jié)構(gòu)通道，射流雷諾數(shù)Re=30 000，在射流孔開孔率不變時分析射流孔排布方式對通道內(nèi)對流換熱的影響。圖8為靶板表面展向Nuave,s的分布云圖?？梢钥闯?，射流孔排布為長菱形布置方式時，靶板表面展向Nuave,s分布比順排、正菱形布置方式更均勻，不存在局部對流換熱強(qiáng)和局部對流換熱弱的情況，同時由于肋存在對靶板內(nèi)部通道渦流誘導(dǎo)也起一定作用。

圖8 不同排布射流孔對靶板表面對流換熱的影響

圖9為不同沖擊孔排布下沖擊靶板展向Nuave,s分布。其中沖擊孔為長菱形和順排排布時，射流沖擊下的靶板展向Nuave,s較沖擊孔為正菱形排布的對流換熱高。原因在于射流孔為正菱形較其他孔排時孔間距減小，并且靶板上局部對流換熱更高，主要出現(xiàn)在駐點(diǎn)區(qū)。此外，孔為長菱形排布時靶板上駐點(diǎn)區(qū)對流換熱相對均勻，不會出現(xiàn)孔為順排時波峰與波谷處展向Nuave,s相差較大的情況。如圖9所示，駐點(diǎn)區(qū)對流換熱更高。射流孔為長菱形排布時靶板表面展向Nuave,s比順排排布和正菱形排布相對應(yīng)分別提高了10%和26.9%。

圖9 不同沖擊孔排布下沖擊靶板展向Nuave,s分布

2.3 射流沖擊雷諾數(shù)的影響

選擇三角形肋結(jié)構(gòu)通道，射流孔為長菱形排布，分析射流雷諾數(shù)對靶板表面對流換熱的影響，結(jié)果如圖10所示，從圖中可以看出：射流沖擊駐點(diǎn)區(qū)對流換熱較大，隨著雷諾數(shù)的增加，射流沖擊靶板上展向Nuave,s越大，且主要集中在射流沖擊駐點(diǎn)區(qū)，可能是由于肋的存在使得射流間距縮小導(dǎo)致射流沖擊靶板上對流換熱系數(shù)局部較大。此外，肋片結(jié)構(gòu)為三角形時，射流沖擊靶板上對流換熱均勻，換熱效果最好。

圖10 射流雷諾數(shù)對靶板表面對流換熱的影響

圖11為不同射流雷諾數(shù)Re(6 000～30 000)下靶板展向Nuave,s分布影響。從圖中可以看出：隨著射流雷諾數(shù)Re增加，沖擊靶面上對流換熱不斷增加。其原因在于，射流孔到靶板法向間距不變，增加射流雷諾數(shù)的大小，有利于提高沖擊駐點(diǎn)區(qū)的局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。注意到?jīng)_擊駐點(diǎn)區(qū)對流換熱能力最強(qiáng)對應(yīng)于圖中波峰區(qū)域。此外，由于橫流效應(yīng)和肋片存在，出現(xiàn)局部最弱的對流換熱區(qū)域，如圖中波谷區(qū)域。在肋結(jié)構(gòu)為三角形、射流孔為長菱形排布時，射流雷諾數(shù)Re=30 000較其他射流雷諾數(shù)Re(6 000、14 000和22 000)對靶板表面展向平均努塞爾數(shù)(Nuave,s)分別增加了31.12%、51.43%和70.57%。

圖11 不同Re對靶板展向展向Nuave,s分布影響

為了在保持沖擊靶板上對流換熱能力不受到明顯削弱的前提下，改善沖擊靶板上射流沖擊對流換熱能力，射流沖擊孔排布宜選擇長菱形布置，且肋片結(jié)構(gòu)選擇三角肋，可以明顯改善沖擊靶板的對流換熱能力。

3 結(jié)論

1) 當(dāng)射流孔長菱形排布時，在肋片周圍形成較明顯的渦流，且肋為方形肋時較梯形肋和三角肋渦量尺度大，通道內(nèi)部兩側(cè)的流動不對稱；渦流的形成主要是由于肋的存在，隨著肋結(jié)構(gòu)改變，通道內(nèi)渦流相對也隨之改變；在近壁處的氣流流動受阻導(dǎo)致在相應(yīng)肋片處形成相對較大的角渦區(qū)。

2) 在開孔率不變、射流孔為長菱形排布時，靶板表面上射流沖擊駐點(diǎn)區(qū)Nu較高。由于橫流效應(yīng)使得對流換熱最弱的局部區(qū)域位于肋兩側(cè)。此外，靶面上沖擊換熱面積較大且相對均勻，即不會出現(xiàn)局部區(qū)域內(nèi)對流換熱最差的情況。當(dāng)射流孔為正菱形布置，射流沖擊駐點(diǎn)區(qū)Nu較長菱形布置時大，但對于靶面射流沖擊換熱不均勻。此外，肋片結(jié)構(gòu)宜采用三角肋，當(dāng)射流直接沖擊靶板上時由于流阻減弱其對流換熱更均勻。

3) 在本文所研究“沖擊-肋片”復(fù)合冷卻，為了在保持沖擊靶板上對流換熱能力不受到明顯削弱的前提下改善沖擊靶板上射流沖擊對流換熱能力，射流沖擊孔排布宜選擇長菱形排布，且肋結(jié)構(gòu)選擇三角肋，可以明顯改善沖擊靶板的對流換熱能力。