燃?xì)馔钙介绢^/榫槽裝配間隙流動(dòng)與換熱特性研究

摘要：為精確設(shè)計(jì)燃?xì)廨啓C(jī)二次空氣系統(tǒng)，針對(duì)燃?xì)馔钙絼?dòng)葉榫頭/榫槽間隙內(nèi)的流動(dòng)與換熱問(wèn)題開展研究。以燃?xì)馔钙絼?dòng)葉榫頭/榫槽配合面S形間隙結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，試驗(yàn)研究了榫頭/榫槽裝配間隙內(nèi)的流阻與換熱特性，并數(shù)值分析了其詳細(xì)流動(dòng)結(jié)構(gòu)。首先，采用壓力掃描閥和熱色液晶測(cè)溫技術(shù)測(cè)量了榫頭/榫槽內(nèi)的流阻和努塞爾數(shù)分布。然后，利用試驗(yàn)結(jié)果對(duì)所采用的數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行了考核，并進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。最后，詳細(xì)分析了5種雷諾數(shù)、5種結(jié)構(gòu)參數(shù)榫頭/榫槽高度及5種間隙寬度下榫頭/榫槽裝配間隙結(jié)構(gòu)內(nèi)部流動(dòng)與換熱特性。結(jié)果表明：在試驗(yàn)測(cè)量范圍內(nèi)，左側(cè)壁面的平均努塞爾數(shù)始終比右側(cè)高10%左右；隨著雷諾數(shù)的增大，榫頭/榫槽裝配間隙的阻力損失系數(shù)和換熱強(qiáng)度均逐漸增大，當(dāng)雷諾數(shù)從15 000增大到35 000時(shí)，平均阻力系數(shù)增大了2倍，兩側(cè)面整體平均努塞爾數(shù)均增大了1.1倍；隨著榫頭/榫槽裝配間隙相對(duì)高度的增大，阻力損失系數(shù)及壁面努塞爾數(shù)均逐漸減??；隨著榫頭/榫槽裝配間隙寬度的增大，試驗(yàn)范圍內(nèi)平均阻力系數(shù)增大了30.7%，左右兩側(cè)面平均努塞爾數(shù)分別增大了95.5%和94.9%。

關(guān)鍵詞：榫頭/榫槽裝配間隙；流動(dòng)特性；換熱特性

中圖分類號(hào)：TK474.7.文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.7652/xjtuxb202405009.文章編號(hào)：0253-987X（2024）05-0088-11

Study on Flow and Heat Transfer Characteristics of Tenon

Joint Gap Between Gas Turbine Blade and Disk

Abstract：In order to design the secondary air system of gas turbine accurately， the flow and heat transfer in the tenon joint gap of gas turbine rotor blade and disk are studied. The flow resistance and heat transfer characteristics of the S shaped tenon joint gap between blade and disk in gas turbine are investigated experimentally， and detailed flow field is studied numerically. Firstly， the flow resistance and Nusselt number of the gap are measured by pressure scanning valve and thermochromic liquid crystal， respectively. Then the turbulence model used in numerical calculation is validated by the experimental results， and the grid independence is verified. At last， the effects of flow and structure parameters on tenon joint gap flow and heat transfer are analyzed， in which， five different Reynolds numbers， five different relative heights of the gap and five different widths of the gap are conducted. The results show that the average Nusselt number on the left wall is consistently around 10% higher than that on the right side. As the Reynolds number increases， the flow resistance coefficient and heat transfer intensity of the assembly gap increase gradually. When the Reynolds number increases from 15 000 to 35 000， the average flow resistance coefficient and the average Nusselt number on both sides increases by 300% and 110% respectively. With the increase of the relative height of the assembly gap， the flow resistance coefficient and the wall average Nusselt number decrease gradually. Increasing the gap width leads to a 30.7% average flow resistance coefficient increase within the test range， with the average Nusselt number on both sides increasing by 95.5% and 94.9% respectively.

Keywords：mortise and tenon assembly gap; flow characteristic; heat transfer characteristics

燃?xì)廨啓C(jī)透平葉片的榫頭/榫槽結(jié)構(gòu)中存在一對(duì)鋸齒狀的裝配間隙。這種間隙中間通流截面寬，兩頭通流截面窄，呈現(xiàn)S形，局部還可能出現(xiàn)死角。榫頭/榫槽這一復(fù)雜間隙結(jié)構(gòu)對(duì)其間流體流動(dòng)和換熱會(huì)帶來(lái)較大影響，而流動(dòng)與換熱特性又影響葉片與輪盤的溫度分布［1］，進(jìn)而影響燃?xì)馔钙降倪\(yùn)行安全。為得到較為準(zhǔn)確的燃?xì)廨啓C(jī)透平葉片及輪盤溫度場(chǎng)，有必要對(duì)榫頭/榫槽裝配間隙中流動(dòng)與傳熱機(jī)理開展更深入的研究。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)微小通道流動(dòng)換熱的研究主要采用簡(jiǎn)化模型，主要包括圓管、三角型管、矩形管、圓環(huán)管等形狀規(guī)則的通道，且集中于換熱器微通道流動(dòng)與換熱研究［2-6］，以及透平葉片內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)的流動(dòng)與換熱研究［7-10］。對(duì)于榫頭/榫槽結(jié)構(gòu)，目前基本都集中于對(duì)其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以降低榫頭/榫槽連接處的應(yīng)力集中，進(jìn)一步提高疲勞壽命，而對(duì)其流動(dòng)傳熱的研究相對(duì)較少。段玉發(fā)等［11］以放大3倍后的實(shí)際燃機(jī)透平榫頭/榫槽結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，對(duì)S形榫頭/榫槽裝配間隙結(jié)構(gòu)的流動(dòng)特性與換熱特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。劉永葆等［12］在分析燃?xì)廨啓C(jī)高壓渦輪的葉片時(shí)，將輪盤和葉片之間的榫頭/榫槽裝配間隙內(nèi)的傳熱過(guò)程轉(zhuǎn)化為對(duì)流傳熱過(guò)程。馬曉騰等［13］通過(guò)相似原理將實(shí)際燃機(jī)透平榫頭/榫槽裝配間隙結(jié)構(gòu)放大9倍，采用熱色液晶測(cè)量了榫頭/榫槽裝配間隙結(jié)構(gòu)通道的換熱系數(shù)變化情況。常海萍等［14-15］針對(duì)縱樹型榫頭/榫槽裝配間隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究。Chen等［16］數(shù)值研究了兩種典型榫頭/榫槽裝配間隙結(jié)構(gòu)在靜止及旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的流動(dòng)與換熱特性。Gopinathrao等［17］在研究高溫和高負(fù)載下運(yùn)行的燃?xì)廨啓C(jī)部件時(shí)，分析并研究了榫頭/榫槽結(jié)構(gòu)的影響。Mabilat等［18］采用試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法對(duì)輪盤的整體壽命進(jìn)行了研究，考慮了榫頭/榫槽裝配間隙的傳熱性能對(duì)輪盤溫度分布的影響。

基于對(duì)溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的干擾較小、響應(yīng)速度快、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，熱色液晶測(cè)溫方法在相關(guān)實(shí)驗(yàn)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。陳偉等［19］采用瞬態(tài)液晶測(cè)量技術(shù)研究了高溫高壓渦輪葉片內(nèi)部通道的冷卻和傳熱特性。李博等［20］利用瞬態(tài)液晶測(cè)溫技術(shù)對(duì)球形和橢圓形球凹冷卻結(jié)構(gòu)的局部傳熱和流阻系數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。Shi等［21-22］運(yùn)用熱色液晶實(shí)驗(yàn)研究了環(huán)形斜向射流陣列在密閉空間內(nèi)撞擊旋轉(zhuǎn)圓柱表面的對(duì)流換熱特性。Zhang等［23］運(yùn)用熱色液晶測(cè)溫技術(shù)通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究渦輪端壁上游噴射冷卻劑傳熱特性以及氣膜冷卻特性。Luan等［24］對(duì)帶肋和氣膜孔的渦輪葉片前緣沖擊冷卻的內(nèi)部傳熱系數(shù)和壓力損失情況進(jìn)行研究時(shí)，運(yùn)用熱色液晶測(cè)溫技術(shù)得到了不同冷卻條件下前緣腔內(nèi)表面的傳熱系數(shù)分布。陳大為等［25］采用熱色液晶測(cè)溫技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究了尾跡區(qū)對(duì)于光滑葉片表面換熱系數(shù)分布的影響。徐國(guó)強(qiáng)等［26］利用熱色液晶測(cè)溫技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究了吹風(fēng)比和孔布置位置等因素對(duì)氣膜冷卻和傳熱性能的影響。上述研究表明，熱色液晶測(cè)溫技術(shù)已廣泛應(yīng)用于傳熱實(shí)驗(yàn)研究中。

綜上，榫頭/榫槽結(jié)構(gòu)的流動(dòng)與換熱特性對(duì)透平的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要影響，而目前相關(guān)研究還較少，其流動(dòng)與換熱機(jī)理尚有待進(jìn)一步研究。因此，本文采用試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方式研究了雷諾數(shù)與裝配間隙高度和寬度等流動(dòng)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)榫頭/榫槽裝配間隙內(nèi)流動(dòng)與換熱特性的影響規(guī)律。本文搭建了榫頭/榫槽裝配間隙流動(dòng)與傳熱試驗(yàn)臺(tái)，采用瞬態(tài)熱色液晶測(cè)量了不同雷諾數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)下榫頭/榫槽表面的換熱系數(shù)分布情況，同時(shí)通過(guò)測(cè)量沿程壓力分布獲得了試驗(yàn)件的阻力特性，并數(shù)值計(jì)算分析了不同雷諾數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)榫頭/榫槽裝配間隙內(nèi)流動(dòng)特性的影響。

1.試驗(yàn)測(cè)量與數(shù)值計(jì)算方法

本文對(duì)流阻和傳熱采用試驗(yàn)測(cè)量的方法進(jìn)行，對(duì)具體流場(chǎng)細(xì)節(jié)采用數(shù)值計(jì)算的方法獲得。

1.1.試驗(yàn)系統(tǒng)和試驗(yàn)段

試驗(yàn)系統(tǒng)圖如圖1所示。試驗(yàn)系統(tǒng)分為主流系統(tǒng)、試驗(yàn)段以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。主流由螺桿壓縮機(jī)提供，氣體經(jīng)過(guò)冷干機(jī)、過(guò)濾器后進(jìn)入儲(chǔ)氣罐，之后進(jìn)入試驗(yàn)段部分。試驗(yàn)段選用有機(jī)玻璃板加工而成?？紤]到密封性等因素，根據(jù)相似原理將真實(shí)榫頭/榫槽裝配間隙放大5倍后進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。由于榫頭/榫槽S形裝配間隙結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，因此本文試驗(yàn)取一半高度的榫頭/榫槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，榫頭/榫槽裝配間隙結(jié)構(gòu)提取及試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖如圖2所示。圖中H表示榫頭/榫槽的高度，d表示榫頭/榫槽裝配間隙寬度。

1.2.試驗(yàn)測(cè)量原理

試驗(yàn)采用Azbil熱式質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量流量，量程精度為±1.0%，壓力采用PSI9216壓力掃描閥進(jìn)行測(cè)量，量程精度為±0.05%。

換熱試驗(yàn)根據(jù)熱色液晶的顏色與溫度相對(duì)應(yīng)的特性，找出溫度與顏色之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。對(duì)于顏色有多種描述方法。對(duì)于數(shù)字圖像的獲取和處理系統(tǒng)，通常采用RGB（紅色、綠色和藍(lán)色）顏色模型。RGB顏色模型可以很好地再現(xiàn)顏色，但由于光強(qiáng)等因素的影響，有時(shí)同一顏色會(huì)有不同的R、G、B色值，這種情況不利于溫度與顏色的相互轉(zhuǎn)換。HIS色彩模型用色調(diào)（H）、飽和度（I）、亮度（S）來(lái)描述一種顏色。色調(diào)是顏色彼此互相區(qū)分的特性，不同的顏色具有不同的色調(diào)，飽和度指一種顏色中純光所占的比例，亮度則指的是顏色的強(qiáng)度。用色調(diào)區(qū)分顏色只需一個(gè)變量，不需要考慮飽和度和亮度的影響，從而解決了光照不均勻及光照條件不同的影響［27-28］。因此，本文將拍攝的RGB色彩圖像轉(zhuǎn)換為HIS色調(diào)圖像來(lái)確定溫度。

由于需要確定色調(diào)與溫度之間一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，因此需要對(duì)熱色液晶提前進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定裝置如圖3所示。

瞬態(tài)熱色液晶測(cè)試技術(shù)是基于一維半無(wú)限大平板的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱理論的試驗(yàn)測(cè)量方法。試驗(yàn)開始時(shí)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏囟葢?yīng)均勻且等于氣流的溫度。如果測(cè)試表面氣流的溫度突然上升，則氣流和測(cè)試表面之間會(huì)發(fā)生對(duì)流傳熱，導(dǎo)致測(cè)試表面的溫度突然升高，并開始對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢?nèi)部進(jìn)行導(dǎo)熱，這一問(wèn)題可以用式（1）進(jìn)行描述

式中：Tx，t為試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢?nèi)部x處在t時(shí)刻下的溫度；T0為初始時(shí)刻溫度；Tw為所研究表面的壁面溫度；Tg為升高后的氣流溫度；ρ、λ、c分別為試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拿芏?、?dǎo)熱系數(shù)、比熱容。

壁面溫度解析解為

式中：erfc為余差函數(shù)。

利用熱色液晶測(cè)溫技術(shù)測(cè)出所研究表面的壁面溫度（Tw）以及加熱時(shí)間（th），測(cè)得氣流溫度（Tg）隨時(shí)間的變化規(guī)律，結(jié)合初始溫度（T0）以及試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷奈镄詤?shù)即可求出換熱系數(shù)（h）。

1.3.不確定度分析

由熱色液晶標(biāo)定的結(jié)果可知，此熱色液晶不確定度誤差為±0.2 K，熱電偶的測(cè)量誤差也為±0.2 K，時(shí)間測(cè)量誤差為±0.1 s。采用Moffat實(shí)驗(yàn)誤差分析方法［29］，選擇兩個(gè)特征換熱系數(shù)的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明，換熱系數(shù)測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差約在11%以下，低換熱系數(shù)（h=100 W/（m2·K））下不確定度為5%，高換熱系數(shù)（h=2 000 W/（m2·K））下不確定度為11.2%。

1.4.數(shù)值計(jì)算方法及驗(yàn)證

采用與試驗(yàn)研究相同的結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值研究，計(jì)算模型如圖4所示。進(jìn)口給定流量和溫度，出口給定平均靜壓，榫頭/榫槽通道兩側(cè)面給恒定壁溫條件，其他壁面為光滑無(wú)滑移絕熱壁面。進(jìn)、出口邊界條件與試驗(yàn)一致，進(jìn)口溫度給定為試驗(yàn)中進(jìn)口在進(jìn)氣腔內(nèi)靠近榫頭榫槽間隙進(jìn)口處測(cè)量的溫度。網(wǎng)格為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，邊界層內(nèi)采用prism網(wǎng)格，壁面處第一層網(wǎng)格高度設(shè)置為0.001 mm，并以1.15的比率沿垂直壁面方向增長(zhǎng)，prism網(wǎng)格層數(shù)為15層。數(shù)值計(jì)算采用商用軟件ANSYS CFX。

1.4.1.湍流模型考核

通過(guò)與相同工況下的試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNG k-ε模型、標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型、SST k-ω模型共4種湍流模型在計(jì)算榫頭/榫槽結(jié)構(gòu)流動(dòng)換熱的精度進(jìn)行了考核。計(jì)算所采用的試驗(yàn)工況如表1所示。

努塞爾數(shù)定義式如下

式中：qw表示熱流密度；Th表示進(jìn)口氣流溫度；Dh表示水力直徑。

周向平均努塞爾數(shù)Nucir的定義如下

式中：Nui表示對(duì)應(yīng)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)（i，j）的Nu；li表示各節(jié)點(diǎn)之間的曲線長(zhǎng)度，m；l表示通道長(zhǎng)度。

不同湍流模型計(jì)算的周向平均努塞爾數(shù)與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比如圖5所示。圖中橫軸Z表示坐標(biāo)系的Z軸，與氣體流動(dòng)方向平行。由圖5可知，采用SST k-ω湍流模型計(jì)算的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合得最好，因此本文后續(xù)計(jì)算都選用SST k-ω湍流模型進(jìn)行。

1.4.2.網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

選取140萬(wàn)、304萬(wàn)、550萬(wàn)節(jié)點(diǎn)共3套網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。比較了不同網(wǎng)格數(shù)下右側(cè)壁面的周向平均努塞爾數(shù)，網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果如圖6所示。

通過(guò)分析比較不同網(wǎng)格數(shù)下右側(cè)壁面的周向平均努塞爾數(shù)Nucir，可以看出當(dāng)網(wǎng)格數(shù)大于304萬(wàn)時(shí)，網(wǎng)格數(shù)繼續(xù)增加對(duì)計(jì)算精度影響不大。因此，后續(xù)計(jì)算選擇網(wǎng)格數(shù)為304萬(wàn)的網(wǎng)格開展數(shù)值計(jì)算。

2.結(jié)果與討論

2.1.雷諾數(shù)對(duì)榫頭/榫槽結(jié)構(gòu)流動(dòng)與換熱特性的影響

試驗(yàn)并數(shù)值研究了5種雷諾數(shù)（Re=15 000，20 000，25 000，30 000，35 000）下榫頭/榫槽裝配間隙內(nèi)的流動(dòng)與換熱特性。

2.1.1.雷諾數(shù)對(duì)榫頭/榫槽結(jié)構(gòu)流動(dòng)特性的影響

阻力損失系數(shù)的定義為

式中：P*1表示進(jìn)口處的總壓；P*5表示出口處的總壓；D表示通道水力直徑；v表示氣流速度。

圖7展示了不同雷諾數(shù)下榫頭/榫槽裝配間隙通道入口處的三維流線。由圖可以看出，在任意雷諾數(shù)下，由于從氣流盤腔大空間進(jìn)入榫頭/榫槽間隙時(shí)氣流與壁面存在刮削作用，因此通道入口處都存在入口渦；入口渦的強(qiáng)度及尺寸會(huì)受雷諾數(shù)的影響，隨著雷諾數(shù)的增加，通道入口渦的尺寸趨于穩(wěn)定；入口渦的存在會(huì)導(dǎo)致通道入口處摩擦損失及換熱強(qiáng)度較大。

圖8給出了不同雷諾數(shù)下榫頭/榫槽結(jié)構(gòu)的平均阻力系數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果。由圖可知，隨著雷諾數(shù)的增大，榫頭/榫槽通道結(jié)構(gòu)的阻力系數(shù)隨之增加。這主要是因?yàn)樵诮Y(jié)構(gòu)不變的條件下，增大雷諾數(shù)是通過(guò)增大流速實(shí)現(xiàn)的，而流速增大時(shí)，通道進(jìn)出口的壓差增大，從而會(huì)導(dǎo)致阻力系數(shù)增大。當(dāng)雷諾數(shù)從15 000增大到35 000時(shí)，榫頭/榫槽間隙平均阻力系數(shù)增大近2倍。

2.1.2.雷諾數(shù)對(duì)榫頭/榫槽結(jié)構(gòu)換熱特性的影響

圖9為不同雷諾數(shù)下榫頭/榫槽通道Nu的試驗(yàn)結(jié)果，其中右側(cè)為通道進(jìn)口，左側(cè)為出口。由圖可知，在榫頭/榫槽通道進(jìn)口處，換熱較為強(qiáng)烈，這主要是因?yàn)樵谕ǖ赖娜肟谔庍吔鐚拥纳桑译S著流動(dòng)向下游發(fā)展，邊界層逐漸增厚，因此換熱強(qiáng)度逐漸降低。同時(shí)可以觀察到，在中部狹窄的縫隙處換熱強(qiáng)度較低，在頂部間隙較寬的處換熱強(qiáng)度較高，這主要是因?yàn)闅饬髟谳^寬處形成了旋渦，湍動(dòng)度較大，而在中部較狹窄處旋渦的尺寸較小。

圖10為不同雷諾數(shù)下榫頭/榫槽通道左側(cè)與右側(cè)壁面面積平均努塞爾數(shù)（Nuave）的試驗(yàn)結(jié)果。由圖可知，隨著雷諾數(shù)的增加，通道的Nuave隨之增加，當(dāng)雷諾數(shù)從15 000增大到35 000時(shí)，榫頭/榫槽兩側(cè)面平均努塞爾數(shù)均增大了1.1倍。通道左側(cè)壁面的Nuave始終比右側(cè)壁面高10%左右，這主要是由兩個(gè)原因造成的：①在頂部間隙較寬處靠近左側(cè)壁面處生成了旋渦，造成左側(cè)壁面換熱強(qiáng)度更高；②左側(cè)壁面在間隙較寬處是弧形，而該處的換熱較中部狹窄處的高，即左側(cè)壁面高換熱區(qū)面積更大。左右兩側(cè)壁面指榫頭/榫槽通道的左右兩側(cè)，視圖方向?yàn)橥ǖ赖倪M(jìn)氣方向。左右兩側(cè)壁面示意圖可見(jiàn)圖2（a）。

2.2.裝配間隙相對(duì)高度對(duì)榫頭/榫槽流動(dòng)及換熱特性的影響

..在研究雷諾數(shù)對(duì)榫頭/榫槽間隙流動(dòng)與傳熱特性研究的基礎(chǔ)上，研究了榫頭/榫槽裝配間隙高度對(duì)其流動(dòng)換熱特性的影響。榫頭/榫槽間隙高度采用無(wú)量綱參數(shù)榫頭/榫槽裝配間隙相對(duì)高度（h*），其定義為

h*=H/d（6）

利用圖2所示的模型結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)并數(shù)值研究5種榫頭/榫槽裝配間隙結(jié)構(gòu)相對(duì)高度（h*=54.00，49.85，45.68，41.52，37.35）對(duì)榫頭/榫槽結(jié)構(gòu)內(nèi)部流動(dòng)與換熱特性的影響。

2.2.1.榫頭/榫槽裝配間隙相對(duì)高度對(duì)榫頭/榫槽結(jié)構(gòu)流動(dòng)特性的影響

圖11展示了不同榫頭/榫槽結(jié)構(gòu)相對(duì)高度下裝配間隙通道不同截面處的流線分布情況。由圖可以看出，在通道入口處（Z/L=0），在上方流動(dòng)空間較大的左側(cè)與右側(cè)壁面附近均生成了旋渦，在下方流動(dòng)空間較小的窄長(zhǎng)部分也有旋渦的生成。旋渦的生成會(huì)造成流動(dòng)損失增加。隨著結(jié)構(gòu)高度的增加，靠近左側(cè)與右側(cè)壁面的旋渦數(shù)量減少，且尺寸有所減小，下方的窄長(zhǎng)部分長(zhǎng)度增加，旋渦的數(shù)量增加，此處流動(dòng)損失增大。在通道中間部分（Z/L=0.5）處，隨著結(jié)構(gòu)高度的增加，靠近左側(cè)與右側(cè)壁面處的旋渦生成數(shù)量及尺寸均略有減小，在此處通道下方的窄長(zhǎng)部分沒(méi)有旋渦的生成，在通道中間處隨著流動(dòng)的發(fā)展流動(dòng)損失逐漸減小。在通道的出口處（Z/L=1.0），隨著流動(dòng)的發(fā)展，邊界層厚度及流體溫度均逐漸增加，旋渦尺寸減小明顯，在通道出口處流動(dòng)損失減小。

圖12為試驗(yàn)測(cè)量的不同榫頭/榫槽結(jié)構(gòu)相對(duì)高度下榫頭/榫槽結(jié)構(gòu)的平均阻力系數(shù)。由圖可知，隨著榫頭/榫槽結(jié)構(gòu)相對(duì)高度的增加，間隙通道平均阻力系數(shù)逐漸減??；在試驗(yàn)范圍內(nèi)，平均阻力系數(shù)降低了65%。與圖11的分析結(jié)果一致，隨著榫頭/榫槽結(jié)構(gòu)高度的增加，通道中流動(dòng)的旋渦減少，流動(dòng)損失降低；裝配間隙中狹窄的平直部分長(zhǎng)度增加，而該部分流速較低，阻力較小，造成整體平均阻力系數(shù)降低。

2.2.2.榫頭/榫槽裝配間隙相對(duì)高度對(duì)其換熱特性的影響

圖13為不同榫頭/榫槽結(jié)構(gòu)相對(duì)高度下榫頭/榫槽裝配間隙Nu分布的試驗(yàn)結(jié)果。由圖可得，隨著裝配間隙相對(duì)高度的增加，在入口處所生成的旋渦的尺寸及數(shù)量均逐漸減小，因此換熱強(qiáng)度也逐漸降低；隨著流動(dòng)的發(fā)展，流動(dòng)邊界層逐漸變厚，努塞爾數(shù)逐漸降低，特別是在通道下方的窄長(zhǎng)部分，由于流動(dòng)速度較低，且未形成旋渦，湍動(dòng)度較低，因此Nu降低更快；但是隨著結(jié)構(gòu)高度的增加，靠近左側(cè)與右側(cè)壁面處的旋渦尺寸均略有減小，因此Nu逐漸減??；在通道的出口處，旋渦的尺寸明顯減小，因此在通道的出口Nu減小明顯，與圖11分析結(jié)果一致?？傮w而言，隨著流動(dòng)的發(fā)展，沿程N(yùn)u逐漸減?。浑S著結(jié)構(gòu)高度的增加，通道的換熱強(qiáng)度逐漸減弱。

圖14為不同榫頭/榫槽裝配間隙結(jié)構(gòu)相對(duì)高度下榫頭/榫槽通道左側(cè)與右側(cè)壁面平均努塞爾數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果。由圖可知，隨著榫頭/榫槽結(jié)構(gòu)相對(duì)高度的增加，通道平均努塞爾數(shù)逐漸減小，即換熱強(qiáng)度隨著榫頭/榫槽結(jié)構(gòu)高度的增加而降低；在試驗(yàn)范圍內(nèi)，當(dāng)榫頭/榫槽間隙相對(duì)高度從37.35增加到54.00時(shí)，左右兩側(cè)壁面的平均努塞爾數(shù)分別降低了12.1%和14.1%。這主要是因?yàn)椋孩俳Y(jié)構(gòu)高度的增加，導(dǎo)致間隙通道內(nèi)氣流流速降低；②增加高度過(guò)程中增加的是平直且窄的部分的高度，而該部分換熱強(qiáng)度低，因此降低了間隙通道努塞爾數(shù)的面積平均值；③通道內(nèi)部所生成的旋渦尺寸以及數(shù)量均有所減小，換熱強(qiáng)度逐漸減小。在任何結(jié)構(gòu)高度下，靠近左側(cè)壁面的利于流體混合的旋渦始終多于右側(cè)壁面，因此左側(cè)壁面的換熱強(qiáng)度始終高于右側(cè)壁面的。在試驗(yàn)的榫頭/榫槽結(jié)構(gòu)高度下，左側(cè)壁面的平均努塞爾數(shù)始終比右側(cè)高10%左右。

2.3.裝配間隙寬度對(duì)榫頭/榫槽流動(dòng)與傳熱特性的影響

利用圖2（a）所示模型，試驗(yàn)與數(shù)值研究了5種榫頭/榫槽裝配間隙結(jié)構(gòu)寬度（d=1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 mm）對(duì)榫頭/榫槽結(jié)構(gòu)內(nèi)部流動(dòng)與換熱特性的影響。

2.3.1.裝配間隙寬度榫頭/榫槽流動(dòng)特性的影響

圖15為不同榫頭/榫槽裝配間隙寬度下榫頭/榫槽結(jié)構(gòu)平均阻力系數(shù)。由圖可知，隨著榫頭/榫槽結(jié)構(gòu)寬度的增加，平均阻力系數(shù)逐漸增大。這是由于榫頭/榫槽裝配間隙內(nèi)月牙形較寬處旋渦強(qiáng)度隨間隙寬度增大而增強(qiáng)，并且狹窄的平直部分流速隨寬度的增大而增大，導(dǎo)致流阻增大，即阻力系數(shù)增大。在試驗(yàn)范圍內(nèi)，當(dāng)榫頭/榫槽間隙寬度從1.0 mm增大到3.0 mm時(shí)，平均阻力系數(shù)增大了30.7%。

2.3.2.裝配間隙寬度對(duì)榫頭/榫槽結(jié)構(gòu)傳熱特性的影響

圖16為不同裝配間隙寬度下榫頭/榫槽裝配間隙結(jié)構(gòu)Nu分布的試驗(yàn)結(jié)果，其中d=3 mm工況下的Nu分布如圖13（e）所示。由圖16可知，隨著結(jié)構(gòu)寬度的增加，Nu有所增大。在通道中間部分，隨著結(jié)構(gòu)寬度的增加，大空間處的旋渦尺寸先增加后減小，因此此處的換熱強(qiáng)度也先升高后減弱。而在狹窄的平直間隙處，隨間隙寬度的增大，該部分氣流速度增大，努塞爾數(shù)增大。在通道出口處，隨著結(jié)構(gòu)寬度的增加，大空間處的旋渦尺寸增加，因此此處的換熱強(qiáng)度也隨之升高，并且左側(cè)壁面的Nu始終高于右側(cè)壁面。

圖17為不同榫頭/榫槽裝配間隙寬度下左側(cè)與右側(cè)壁面的Nuave分布情況。由圖可知，隨著榫頭/榫槽間隙寬度的增加，通道Nuave逐漸增加，即換熱強(qiáng)度隨著榫頭/榫槽間隙寬度的增加而升高。在試驗(yàn)范圍內(nèi)，當(dāng)榫頭/榫槽間隙寬度從1.0 mm增大到3.0 mm時(shí)，左右兩側(cè)面平均努塞爾數(shù)分別增大了95.5%和94.9%，并且左側(cè)壁面的Nuave始終比右側(cè)壁面高10%左右。這主要是因?yàn)?，隨著榫頭/榫槽間隙寬度的增加，旋渦生成的尺寸逐漸增加，一方面下方狹窄的平直部分寬度增大，氣體流速增大，換熱增強(qiáng)；另一方面流體與壁面的熱量交換過(guò)程更為劇烈，因此整體換熱強(qiáng)度隨裝配間隙寬度的增大而增大。

3.結(jié).論

采用試驗(yàn)研究了雷諾數(shù)、裝配間隙高度和寬度等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)榫頭/榫槽裝配間隙流動(dòng)與換熱特性的影響，并結(jié)合數(shù)值計(jì)算分析了榫頭/榫槽間隙內(nèi)的詳細(xì)流動(dòng)情況，得到的主要結(jié)論如下。

（1）由于通道入口處存在入口渦，因此阻力系數(shù)及努塞爾數(shù)在通道入口處最大，隨著流動(dòng)的發(fā)展，榫頭/榫槽裝配間隙通道的阻力系數(shù)及努塞爾數(shù)逐漸減小。在通道的同一截面上，由于流動(dòng)阻力不同，在上方較寬的月牙形區(qū)域內(nèi)，工質(zhì)流速較高，努塞爾數(shù)較大；在下方狹窄的平直區(qū)域內(nèi)，工質(zhì)流速很低，努塞爾數(shù)較小。在試驗(yàn)范圍內(nèi)，左側(cè)壁面努塞爾數(shù)始終比右側(cè)壁面高10%左右。

（2）隨著雷諾數(shù)的增加，榫頭/榫槽通道結(jié)構(gòu)的阻力系數(shù)逐漸增大，通道的平均努塞爾數(shù)也隨之增加，通道換熱強(qiáng)度逐漸升高。在試驗(yàn)范圍內(nèi)（雷諾數(shù)從15 000增大到35 000），平均阻力系數(shù)增大了2倍，努塞爾數(shù)增大了1.1倍。

（3）隨著榫頭/榫槽裝配間隙相對(duì)高度的增加，阻力損失及壁面努塞爾數(shù)均逐漸減小。在試驗(yàn)范圍內(nèi)（榫頭/榫槽間隙相對(duì)高度從37.35增加到54.00），間隙內(nèi)平均阻力系數(shù)降低了65%，左右兩側(cè)壁面的平均努塞爾數(shù)分別降低了12.1%和14.1%。

（4）隨著榫頭/榫槽裝配間隙寬度的增加，阻力系數(shù)逐漸增加，壁面努塞爾數(shù)逐漸升高。在試驗(yàn)范圍內(nèi)（榫頭/榫槽間隙寬度從1.0 mm增大到3.0 mm），平均阻力系數(shù)增大了30.7%，左右兩側(cè)面平均努塞爾數(shù)分別增大了95.5%和94.9%。

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