旋流對旋轉受限層板換熱的影響研究論文

旋流對旋轉受限層板換熱的影響研究論文

　　現代航空發動機對冷卻效果的要求越來越高。層板冷卻方式集衝擊冷卻、對流冷卻、氣膜冷卻為一體，越來越受到廣泛的重視。在旋轉葉片中，流體由於受到離心力、哥氏力及其衍生的浮升力的作用，其流場分佈和換熱特性將不同於靜比狀態。國內外學者己經對旋轉狀態下葉片的換熱進行了一定的研究。Mattern等對旋轉衝擊通道進行了詳細的研究，研究結果表明，旋轉降低了通道的換熱能力。研究認為哥氏力導致的二次流是導致旋轉影響通道換熱的主要原因。旋轉受限層板（以下簡稱受限層板）能夠有效地抑制旋轉狀態下離心力、哥氏力及其衍生的浮升力對層板換熱能力的影響。Wang對受限層板進行了數值和試驗研究，研究表明，旋轉導致的離心力和哥氏力以及衝擊雷諾數顯著地影響受限層板的換熱能力。

　　以往對受限層板的研究，主要關注離心力、哥氏力以及受限隔板的導熱對層板換熱能力的影響，對在受限層板中由於衝擊和受限層板造成的旋流以及旋流與離心力、哥氏力之間的作用研究較少。在旋轉葉片中，瞭解離心力對旋流之間的作用規律，有利於指導設計旋轉葉片冷卻結構。本文主要採用數值模擬的方式，揭示出在受限層板中旋流對層板換熱的影響機理，以及在旋轉狀態下離心力對旋流的影響規律。

　　1計算模型與邊界條件

　　1。1計算模型

　　在受限層板中，冷卻流體通過沖擊孔到達靶面後，形成壁面射流，壁面射流到達側壁面後，由於受到側壁面的阻擋，對側壁面衝擊，形成衝擊旋渦，在壓力梯度的作用下，流體向下遊流動，所以形成了旋流。

　　通道由衝擊孔、出流孔、衝擊板、靶板和四周側壁組成。具體座標定義如下：通道垂直於流向的`橫截面方向為二方向，射流孔向出流孔流動方向為y方向，板間距方向為二方向。其中通道板間距h=6d，通道寬度ze=lUd，通道長度L=20d，d為進口孔直徑。

　　1。 2網格劃分及網格獨立性驗證

　　採用商業軟體Fluent 6。 3來模擬受限層板內部流場。網格採用軟體Uambit劃分。大部分網格採用結構化網格，通道壁面附近進行網格加密。網格獨立性驗證發現，當網格數達到60萬以後，靶面Nu變化非常小，所以整個模型網格數目大致為65萬。

　　本文三維雷諾平均控制方程採用控制容積法進行離散，分離式求解，壓力、速度藕合採用SIM—PI，E演算法，對流項採用2階迎風進行離散，解收斂的判斷依據為相對殘差小於10。

　　1。3湍流模型選取

　　透過與文獻所做的旋轉單孔衝擊試驗資料對比，合理選取湍流模型。採用標準k二模型（SKE）、增強k二模型（EKE）、標準壁面k —E重整化群模型（SRNU ）、增強壁面k —E重整化群模型（ERNU）、標準壁面方均根模型（SRSM）、增強壁面方均根模型（ERSM）和切應力輸運一二模型（SSTKW）分別驗證。計算過程中，近壁面的處理方式對計算準確性影響很大，本文在近壁面處理方法分別採用標準壁面函式法和增強型壁面函式法。

　　增強型壁面函式法的計算結果接近試驗值，ERSM最接近試驗值，計算值與試驗值的誤差在10%之內，所以認為在模擬旋轉條件下衝擊出流模型時，採用增強壁面方均根模型是可靠的，這與徐磊的結論一致。本文采用增強壁面方均根模型。

　　2計算結果與分析

　　透過流體流過矩形管道的方式來模擬無旋流的狀態。在這種結構中，流體透過進口流過通道，面不是採用衝擊靶面的形式進入通道，這樣可以避免由於衝擊的作用產生旋流，從面達到無旋流的狀態。旋轉狀態下無旋流和有旋流的流場速度向量圖。旋轉狀態無旋流時，通道中流體受到哥氏力的作用，流體產生背離加熱面的二次流。採用衝擊射流加出流孔的結構後，由於衝擊和側壁面的阻擋產生旋流。在旋流的作用下，流體在通道中產生由衝擊面指向靶面的二次流，該二次流與哥氏力產生的二次流作用方向相反，抑制哥氏力產生的二次流。相對於無旋流的通道，由於旋流產生的二次流對靶面有衝擊的作用，所以有利於受限層板的換熱。

　　3結論

　　本文透過數值模擬研究旋轉受限層板結構中旋流對受限層板換熱的影響，在本文研究的模型中，得出如下結論：

　　1）在衝擊受限層板中，產生對稱的旋流，旋流抑制旋轉導致的哥氏力，有利於受限層板換熱。

　　2）轉速會顯著地影響受限層板內旋流的流動，隨著轉速的增加，受限層板內旋流會被逐漸減弱，從面降低受限層板的平均傳熱係數。

　　3）根據轉速，合理設計受限層板的長度，可以有效利用旋流對受限層板換熱能力的增加。