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1、中国航空学会第十三届燃烧与传热传质专业学术讨论会 C S A A 2 0 0 5 P C - 0 3 2 带肋和气膜子L 的通道中换热机理研究 李广超，朱惠人，郭涛 ( 西北工业大学动力与能源学院，陕西西安7 1 0 0 7 2 ) 电话：0 2 9 - - 8 8 4 8 6 0 7 5 ，E - - m a i h ! i 靶! Q ! z h Q Q ：! 鲤：! ! 摘要：采用S S Tk W 紊流模型，求解三维N S 方程，对带9 0 。肋和气膜孔的矩形通道 在入口雷诺数6 0 0 0 0 ，气膜孔总出流比为o2 2 、O1 4 和0 时的三维流场进行了数值模拟。数 值模拟结果和实验
2、结果吻合的较好。分析了扰流肋和气膜孔的出流使换热增强的机理。结 果表明。带肋和气膜孔的通道流场非常复杂，肋和气膜孔的出流都会使换热得到增强。单 独带气膜孔的通道，气膜孔出流对上游边界层有抽吸作用使边界层变薄，导致孔上游区 域换热增强；抽吸同时使上层流体发生向下的弯转冲击孔下游表面，导致孔下游区域换 热增强。同时带肋和气膜孔的通道，气膜孔的出流对换热影响的较小。 关键字：紊流模型，传热肋气膜孔数值模拟 I n v e s t i g a t i o no f H e a tT r a n s f e ri naS q u a r eC h a n n e l W i t hR i b sa n
3、dF i l mH o l e s L IG u a n g - c h a o ，Z H UH u i - r e n , G u oT a o ( C a l l O f P r o p u l s i o na n dE n e r g y , N o r t h w e m e mP o l y t e d m i e a lU m v 。X i 卸7 1 0 0 7 2 ，C h i n a ) A b s t r a 。t ：N u 丽c a ls i m u l 砸o n w a se o n d u a t e d 协i n w e s t i g a x e h e a t
4、t f f t I l $ l 廿j nr e c t a n g u l a r 曲越l n d w i t hb o t hr i b - r o u g h e n e dw a l la n df i l mh o l es u c t i o n sa tR e y n o l d sn u m b e r6 0 0 0 0 。s u c t i o nr a t i oo f 02 2 01 4a n d 0Af i n i t ev o l u m em e t h o dw i t hu n s t r u c t u r e dm e s h e 5w a su s e dt
5、 os o l v ef i l et h F e e d i m e n s i o n sc o m p r e s s i b l eN a v i e r - S t o k e se q u a t i o n sn eS S Tk wm o d e lw g su s e dT h e n u m e r i c a lr e s u l t sa g r e e dw e l lw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a m n er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ef l o wo f t h e p a s
6、 s a g e w i t h t h er i b sa n d f i l mh o l e s w a sv e r yc o m p l e xH e a t t r a n s f e r W a Se n h a n c e db e c a u s eo f t h e r i b sa n dt h es u c t i o n so ft h ef i l m h o l e s I n v e s t i g a t i o nw a sf o e u s e do Nt h ei n f l u e n o eo f r i b - r o u g h e n e da
7、 n ds u c t i o nr a t i oo 1t h eh e a tt r a n s f e r T h es t a g n a t i o np o i n to c c u r r e da td o w n s t r e a m o f t h eh o l et r a i l i n ge d g ed u ot ot h es u c t i o no f t h ef i l mh o l e si nt h ep a s s a g eo n l yw i t hf i l mh o l e s S e p a r a t i o nf l o wa ti
8、n t e r - r i bs p a c eh a sap r o f o u n d i m p a c tO l lt h eh e a tt r a n s i tr e s u l t sa n dt h e s u c t i o no f t h e f i l mh o l e sh a d I i r t l ee r i e c to n t h eh e a t t r a n 舒e r w i t hb o t hh o l e sa n dr i b s K e yw o r d s ：t u r b u l e n c e m o d e l ；h e a t 咖
9、s f e rr i b ；f i l mh o l e ；h u m e r i 吲s i m u l a t i o n 1 引言 随着现代航空发动机涡轮入r n 温度提高，涡轮叶片的工作环境越来越恶劣。对涡轮 叶片进行有效的冷却才能够保证其正常工作。应用气膜冷却对叶片进行冷却时，冷气从 叶片的根部或顶部流入叶片内的冷气通道，再从气膜孔喷出覆盖在叶片的表面，起到隔 2 2 7 中国航空学台第十三届燃烧与传热传质专业学术讨论会 C S A A 2 0 0 5 - P C - 0 3 2 离高温燃气和叶片表面的作用。此时的换热过程非常复杂，就叶片内部冷气通道而言， 气膜孔出流的抽吸作用会增强冷
10、气通道的换热，粗糙肋所造成的边界层分离和气体的再 附着流动也会增加内部换热的复杂程度所以研究内冷通道的换热特性对涡轮叶片结 构和冷气量的设计具有非常重要的意义。目前国内外对内冷通道换热特性的研究大多数 是针对壁面带粗糙肋或是带气膜孔出流的通道单独展开的”吲。这虽然可以较好地获得 肋和气膜孔对换热的单独影响。但是由于换热的复杂性，很难用简单的叠加原理将单独 带肋和单独带气膜孔出流的通道换热增强因子进行叠加，基于这一点，本文将同时带肋 和气膜孔出流的内冷通道的换热特性进行了数值模拟，分析了带肋和气膜孔出流的通道 中换热增强的机理，为航空发动机涡轮叶片结构的设计提供了重要的参考依据。 2 数值模拟
11、21 紊流模型及物理模型 本文利用F l u e n t 6 1 软件提供的S S Tk w 紊流模型弘】进行计算。S S Tk w 模型被 广泛地应用到了各个计算领域；包括旋转的各向剪切流，带射流和混合层的自由流，吲 流，以及通道和边界层流动。求解的精度也显著的提高。圈2 给出了本文计算的同时带 f 一厂 、1 。一 短睡 图I 同时带肋和气膜孔通道的结构简图 肋和气膜孔的模型结构简图，其中上下 表面各有1 0 根矩形肋，按错排布置， 肋与流动方向成9 0 。夹角，肋间距与肋 高比P ：8 = 1 0 ：l 。在下表面每两根肋 之间布置有一对气膜孔，气膜孔位于两 根肋的中心，孔的长径比，：d
12、 = 1 0 ：3 ， 气膜孔入口到较近的侧壁的距离和气 膜孔直径的比是5 ：l 。通道的宽高比 w ：h = 2 5 ：l 。由于在气膜孔附近和 孔内的流动比较复杂，所以对气膜孔附 近和孔内的网格进行了加密，整个通道 和孔的网格总数为l l O 万左右。靠壁 面的第一层网格的Y + 控制在1 的数 量级。 2 1 数值计算方法及边界条件 利用F l u e n t 6 1 分离隐式求解器对N - - S 素流时均运动方程进行求解，速度和压力的 耦合采用S I M P L E 算法处理，各参数的离散采用二阶精度的迎风格式。压力修正方程、 连续方程、动量方程、能量方程都实施亚松弛因子。计算域的入
13、口给定质量流量和温度， 壁面给出均匀的温度。并且将入口温度和出口温度的平均值做为计算换热系数的特征温 度。入口处给出紊流强度和紊流尺度，其中紊流强度按照，= “u = 0 1 6 ( R e ) “计算 给出，紊流尺度按照L = O 0 7 d h 计算给出。 2 3 参数定义及计算工况 传热系数的定义为h = q ，【( L + L 。) 2 - 瓦】，努赛尔数的定义为N u = h d l l ， 中国航空学会第十三届燃烧与传热传质专业学术讨论会 C S A A 2 0 0 5 P C 0 3 2 入口雷诺数的定义为R e = p a d 其中p 为气体的密度，“为气体入口处的平均速度，
14、d 为通道水利直径，为气体的动力黏性系数，q 。为壁面热流，已为气体的入口温度， L 。为气体的出口温度，咒为壁面温度，A 为空气的导热系数。增强因子r 的定义为带 气膜孔出流或带肋时的努塞尔数与无出流时光滑壁面努塞尔数的比值。计算工况如表1 所示。 表l 计算参数 R e 6 0 0 0 0 s R0 0 0 9O 1 40 2 2 3 结果分析 3 1 只带气膜孔出流通道的计算结果与分析 中国航空学会第十三届燃烧与传熟传质专业学术讨论会 C S A A 2 0 0 5 P C 0 3 2 图2 ( a 、b ) 分别为第一对孔及第四、第五对孔附近区域的换热增强因子分布云图。 可以看出，气膜
15、孔的出流使孔上、下游的换熟均得到了增强，但增强的幅度不同。其中 上游区域增强幅度仅有7 左右，下游增强幅度则较大。并且越靠近气膜孔。换热增强 的幅度越大t 增强因子最高可以达到2 5 。沿着孔下游的方向，增强因子越来越小，当 接近下对孔时的增强因子只有1 5 左右。而在通道的中心位置。增强因子小于1 ，说 明该位置的换热有所减弱。 下面对带气膜孔出流通道的换热特性进行一下分析。气膜孔的出流破坏了充分发展 的边界层，使边界层在气膜孔的下游重新生成，边界层之所以重新发展是因为在气膜孔 下游主流产生一冲向壁面的分速度，如图3 ( b ) 所示，这种滞止流动使边界层重新发 展而并非是由于气膜孔的扰动使
16、边界层重新发展。而且此时边界层的初始段和通道入 口边界层的初始段也并不相同，换热增强幅度主要受出流比的影响，随着出流比的增加， 换热增强的区域和增强幅度都有所增加，这在后面将具体讨论。气膜孔出流使孔上游换 熟略有强化是因为气膜孔出流的抽吸作用使孔上游附近的流体加速，如图3 ( a ) 所示， 越靠近孔的位置，壁面附近低速区的范围越小，说明气体在流入气膜孔时由于出流的抽 吸作用使孔上游气体呈加速状态，所以越靠近孔的位置，换热系数也就会越大。在通道 的中心处换热减弱是因为气膜孔的出流使主流速度降低所造成的。 32 只带扰流助通道的计算结果与分析 图4 为第5 根肋和第6 根肋之闻计算的努塞尔数和不带扰流肋时计算的努塞尔数的 比，从图上可以看出扰流肋的存在使该区的换热特性明显的分为三个区。换热最强的区 域位是肋的表面，可以达到无肋时的3 倍左右，其次是两根肋的中间区域，换热可以增 强2 倍左右，而在靠近肋的根部区域，换热是减弱的。尤其在肋的背风面。换热增强因 子只有0
