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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 一P C 4 、4 3 旋转对非圆形扰流柱排换热影响的 数值模拟 于芳芳，冯青 ( 西北工业大学动力与能源学院陕西西安7 1 0 0 7 2 ) 摘要：奉文对有非圆形叉捧扰流柱排曲旋转矩形通道的按热旋转效应进行了数值模拟。就 流牲排的几何参数为S D = 4 ，H D = 1 3 3 X D = 2 7 。来流雷诺数R e = 2 0 0 0 0 下，旋转数R o = 0 03 时对三种不同形状( 方形、钻石形和液滴形) 的扰流桂旋转矩形通道的换热研究。 结果表明：i 虫风面与背风面的平均u 数都辅者R o 的增
2、加丽增大；钻石彤抗濠挂排通道数 换热最强其次为方形、液摘形；此外，本文研究发现随着旋转的增强，矩形通道端壁各 段的抉热变化呈现出不同的规律进口区端壁鹊抉热会增强，而扰流桂排区以及尾缘区的 换热耐先减后增 美键词：扰流柱； 旋转； 强化挠热：数值计算 N u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o rt h ee f f e c to f R o r a t i o no nH e a t t r a n s f e ri nn o n - c i r c u l a rp i n f me r r a v S Y UF a n g - 劬& F E N GQ i
3、 n g ( c o l lO f P r o p u l s i o n a n de n e r g y N o r t h w e s t e r n P o l y t h n i e a l U n i v 文i a n 7 1 0 0 7 2 ，C h i n a ) b s t r a n tT h ee f f e c Eo fr o t a t i o n 帆啮r r 吖r e c t a n g u l a rc h a n n e l sv i t hn o n - c i r c u l a rp i n f i n a r r a y s _ a si n v e s
4、 t i g a t e di nt h i sp a p e r P r e s s u r ed r o pa n dh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to nt h e e n d w a l l so fd i e , o n & s h a p e da n dc u b e s h a p e dp i n f i na r r a y sw e r es t u d i e df o rR o = O 。03a t i n l e tR e - - 2 0 0 0 0 A 】lt h ep i n f i ns h a p e s
5、h a v et h es 柚eg e o m e t r i cp a r a m e t e r s i e $ D = 4 ， H D ；1 3 3 X D = 2 7 T h er e s u i ts h o w st h a th e a tt r a n s f e ri nt h ec h a n n e I sh a sb e e ne n h a n c e d u i t ht h ei n c r e a s eo fR o ： m o n gt h et h e es h a p e s ，t h ed i a m o n d e l e m e n ta l w a
6、 y sy i e l d st h e h i n g h e s th e a tt r a n s f e r f o l l o w e db yc u b ea n dw a t e r d r o pp i n f in I na d d i t i 1 h ew h D l ef l o w a r e a 弛sd i v i d e di n t ot h r e ep a r t s ：e n t r a n c es e c t i o n p i n f i na r r a y ss e c t i o na n dt r i a l s e c t i o n ，a
7、n dt h ev a r i a t i o no fh e a tt r a n s f e rw i t ht h ei n c r e a s eo fR oi ne n t r a n c e p i n f i n a r r a y s ”dt r a i ls e c t i o nargd l f f e r e n t ：t h eh e a tt r a n s f e ro fe n t r a n c ei sg t r e n g t h e n e d w h i l e t h eh e a tt r a n s f e ro fp i n f l na r r
8、 a y sa n dt r a i ls e c t i o na r eb o t hw e a k e nf i r s t ，t h e ne n h a n c e d K e yw o r d s ：P i nf i n R o t a t i o n ：H e a tt r a n s f e r ：n u m e r i c a lc a l c u l a t i O l l 引言 短扰流柱排作为强化传热的重要手段成为涡轮叶片内部尾缘区域冷却的一种很好 的选择，交错排列的扰流拄不仅大大增加了换热面积，而且还加强了尾缘区内部通道 的扰动从而达到强化换热教果的作用。另外它还可以对
9、尾缘区内通道起到好的支撑 结构作用。在实际高转速、高R e 数工作叶片的内冷通道中，哥氏力、离心力、浮升力 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 4 3 及扰流柱的相互作用，使得涡轮叶片内冷通道的换热规律非常复杂。 国外对旋转管流的研究着手较旱。比如M o i l 等【1 】研究了旋转圆管热哥氏效应。 W a g n e r 等【2 】研究了方形通道的换热，考虑了哥氏力热浮升力的影响。J o h n s o n 等【3 】 研究了内流的旋转效应。S o o g n 等【4 】在矩形通道的换热中考虑了旋转的引起二次流 影响。以上这些研究一般
10、认为旋转将加强换热，但对通道各个表面的局部换热特性， 各研究的结果有所不同。国内对旋转涡轮叶片内冷通道的换热也做了一些工作，如吉 洪湖等【8 】进行了旋转光滑圆管的换热研究。从目前情况看来，涡轮叶片尾缘带非圆 形扰流柱排的矩形旋转通道的流动和换热特性的研究，在国内外报告中尚未技现。在 高雷诺数、高旋转雷诺数条件下、实验非常困难，而数值模拟以其成本低廉，速度快， 信息量大的优势来模拟研究旋转状态下矩形通道的非圆形扰流柱排的流动和换热特性 是可行的，对于以后的实验研究有很高的参考价值，敌此本文采用数值模拟方法研究 了旋转矩形通道：P t P 圆形叉排扰流柱排的换热特性。 1 数值计算 1 1 控制
11、方程及湍流模型 假设空气为稳定不可压，由于离心力远大于重力，忽略重力影响。当通道以一定 角速度旋转时，由于离心力和哥氏力的出现，旋转坐标系下的三维N S 与在惯性系 下的方程有所不同，故本文采用旋转坐标系来计算。旋转坐标系下的湍流控制方程为： 连续方程：V 矿= 0 ( 1 ) 动晏方程：( V r ) 矿= 胛2 V V 哆一n Q R 一2 n 矿 ( 2 ) ， 能量方程：( V 矿F = d 叮2 r ( 3 ) 湍流模型采用标准k F 湍流模型，各模型常量见1 9 1 ，壁面附近采用强化壁面 函数法进行处理 使得y + ( - “形) c 5 。 1 2 物理模型及网格生成 蠢：皿
12、o O O o o Q Ooo OoO 图1 物理模型示意图图2 扰流柱排几何结构及扰流柱几何尺寸 F i giT h ec o n f i g u r a d o no f c o m p u t a t i o nm o d e l F i g2 T h eg e o m e t r yo f p i n f i na r r a y s 本文计算了扰流柱形分别为方形、钻石形和方形的3 种叉排扰流柱排换热的旋转 效应。图l 给出了钻石形扰流柱排的物理模型示意图，通道高度为2 0 m m ，水力直径 2 9 7 毒 1 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
13、 0 0 5 一P C 0 4 3 D h = 3 7 5 m m 。所用扰流柱排几何参数如图2 所示图中咀钻石形扰流柱为例，x 为扰 流 柱排的流向间距即排间距，S 为列间距。方形扰流柱和水滴形扰流柱各几何尺寸 见图2 ，D 为扰流柱的特性尺度，对方形和扰流柱而言为截面边长，液滴形扰流柱为 迎风面的截面尺寸。本文中扰流柱直径D 为1 5 m m ，扰流柱高度H 为2 0 r a m ，排间距 X = 4 0 m m ，扰流柱排列间距为6 0 r a m ，对液滴形扰流柱L = 2 4 5 r a m 。旋转轴与通道的Y 轴线平行，到两加热面的距离相等，旋转轴到通道进口截面的距离为2 8 0
14、0 m m 。矩形 通道旋转角速度方向与Y 轴正向平行，根据此旋转方向将两个加热面分别定义为迎风 面( h e a t w a l l l ) 与背风面( h e a t w a l l 2 ) 。 基于物理模型的几何对称性，展向只 给出了一个完整的扰流柱和两个半个扰流 柱，用非结构化的三角形网格产生网格系 统，在感兴趣的区域如扰流柱、扰流拄前 后缘及附近区域实施网格局部加密，使网 格密度足以捕捉到基本的流动特征。在壁 面附近采用边界层型网格，并使壁面上第 一层网格中心的y + 满足壁面函数的要求。 对于三种不同形状的扰流柱整个计算域 的网格单元数在6 0 - 8 0 万左右。计算结果 表明，
15、本文的网格分布足以消除网格密度 的影响。由于计算域在各个方向尺寸比例 相差悬殊，本文只给出了扰流柱附近局部 计算域的弼格，如图3 所示。 1 3 边界条件 扰流柱流通截面采用了对称边界条件，端壁和柱面为无滑移物面条件，进口截面 为速度进口边界条件，k 和s 婚进口边界值根据湍流尺度l ( 啪0 7 D ，D 为扰流柱直径) + 和估计的湍流强度I ( I = ”= 5 ) 来计算。出E l 条件为出流边界条件，所有独立 ，“ 变量沿出口方向的扩散项皆设定为零，即d 乡乙= o 。 2 计算结果与分析 本文采用了商用软件F L E U E N T 6 的分离隐式稳态求解器求解旋转坐标系下三维 N
16、 矗雷诺时均湍流方程，速度与压力耦台采用S I M P L E 算法处理。各参数的离散均采 用二阶精度的迎风格式。 计算工况为加热壁面温度为瓦= 3 2 0 k ，进口空气温度为咒= 3 0 0 k ，进口速度 矿= 7 8 卅7 s 进口雷诺数R c = 2 0 0 0 0 R e = P 0 其中V 为流体的进口速度，D 为通道的水力直径) ，旋转半径设为旋转轴到进口截面的距离，为R = 2 8 0 0 m m 转速Q 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 O 3 为2 0 - 6 0 0 r p m ，取值分别为2 0 、4 0 、6 0 、8 0 、1 0 0 、1 2 0 、1 5 0 、2 0 0 、2 5 0 、3 0 0 、3 5 0 、 4 0 0 、6 0 0 。为将转速转化为无量纲数进行分析，本文引入旋转数R o
