孫浩峰，孫紀(jì)寧

（北京航空航天大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，北京100191）

旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下矩形微小通道流動與換熱試驗研究

孫浩峰，孫紀(jì)寧

（北京航空航天大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，北京100191）

為了研究微小通道結(jié)構(gòu)在航空發(fā)動機渦輪葉片中應(yīng)用的前景和可行性，以空氣為冷卻介質(zhì)，在Re＝1000～3000、轉(zhuǎn)速為0～500 r/min、Ro＝0～3.5×10-3條件下，對水力直徑為1 mm的旋轉(zhuǎn)微小通道組的流動和換熱特性進(jìn)行試驗研究。結(jié)果表明：微小通道流阻系數(shù)呈現(xiàn)粗糙壁通道特征，通道臨界Re≈2350，流阻系數(shù)以及臨界Re隨轉(zhuǎn)速增加未見明顯改變。在靜止?fàn)顟B(tài)下，通道組綜合換熱系數(shù)隨Re增大而增大，換熱系數(shù)分布沿流動方向逐漸減??；在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，通道組平均綜合換熱系數(shù)略有增大，旋轉(zhuǎn)對換熱特性的影響隨著流動的發(fā)展而增大。

微小通道；流阻系數(shù)；臨界雷諾數(shù)；換熱；旋轉(zhuǎn)

0 引言

隨著航空渦輪風(fēng)扇發(fā)動機性能提升，要求發(fā)動機渦輪前溫度不斷提高。通過縮小通道尺寸以增加換熱面積的方法可以有效提高葉片冷卻效果，但受加工工藝限制，目前可以實現(xiàn)的最小通道尺寸為0.1～1.0 mm量級。典型結(jié)構(gòu)為微小通道氣膜新型復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)[1]。

Hetsroni[2-3]等通過對可實現(xiàn)的最小通道的研究發(fā)現(xiàn)，微小通道中氣體在充分發(fā)展的層流中，試驗獲得的阻力系數(shù)可以與傳統(tǒng)理論預(yù)測值很好地吻合，臨界Re=1800～2200；Poh-Seng Lee[4]等認(rèn)為微小通道內(nèi)流動特性與傳統(tǒng)N-S方程的預(yù)測結(jié)果十分接近；Pfund[5]等人發(fā)現(xiàn)，光滑矩形微小通道的臨界Re=2000，試驗獲得的Po大于理論預(yù)測值。

同時，Poh-Seng Lee[4]、劉慶東[7]、馬世巖[8]對微小通道結(jié)構(gòu)的換熱效果進(jìn)行了研究。結(jié)果表明微小通道結(jié)構(gòu)可以大大提高換熱效率，但強化幅度并未達(dá)成統(tǒng)一結(jié)論。

另外，渦輪轉(zhuǎn)子葉片具有旋轉(zhuǎn)運動的特點。通過對常規(guī)尺寸旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的研究發(fā)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)對通道流動狀態(tài)產(chǎn)生重要影響，隨著旋轉(zhuǎn)數(shù)的增加影響效果顯著加強[9]；由于流動狀態(tài)的改變，旋轉(zhuǎn)通道的換熱效果也有所改變[10]。但旋轉(zhuǎn)效應(yīng)對微小通道是否存在影響的研究仍處于空白。

為此，本文在原尺寸狀態(tài)下對渦輪葉片尺度的微小通道的臨界Re及外壁面綜合換熱系數(shù)進(jìn)行研究，并考慮旋轉(zhuǎn)效應(yīng)對二者的影響。

1 試驗?zāi)Ｐ秃拖到y(tǒng)

為研究臨界Re以及通道流阻特性，定義通道內(nèi)流動阻力系數(shù)f及Re

式中：ΔP為通道兩端總壓壓差；L為通道長度；dh為通道截面水力直徑；u為特征速度。

定義泊肅葉數(shù)Po

為研究微小通道換熱特性，定義綜合對流換熱系數(shù)hχ

式中：Ω為轉(zhuǎn)速。

本試驗利用銅的高導(dǎo)熱系數(shù)特性，采用銅塊-加熱膜組合加熱單元，模擬局部等壁溫邊界條件，并在非換熱面加絕熱材料，減小熱損失?？偧訜峁β蕅可通過計算加熱膜發(fā)熱功率（q=U×I）獲得，銅塊內(nèi)埋設(shè)熱電偶測量銅塊溫度即壁溫Tw，如圖1所示。

1.1 試驗?zāi)Ｐ?/p>

整體試驗?zāi)Ｐ腿鐖D2（a）所示。為提高冷氣流量測試精度，試驗采用微小通道組的方法進(jìn)行，即采用50個通道的通道組結(jié)構(gòu)，各通道流量均勻分配，流量

式中：λ為冷卻空氣導(dǎo)熱系數(shù)。

為研究旋轉(zhuǎn)效應(yīng)對流動及換熱的影響，定義旋轉(zhuǎn)數(shù)Ro

式中：q為總加熱功率；qloss為熱損失功率；A為換熱面積；Tw為通道外壁面溫度；Tf為當(dāng)?shù)刂髁鳒囟?，利用進(jìn)出口流體溫度線性插值獲得。

圖1 加熱單元結(jié)構(gòu)

定義無量綱綜合換熱系數(shù)Nuχ測點處的流量大大增加，從而減小測量誤差，如圖2 （b）所示。每個通道的截面尺寸為0.6 mm×3 mm，水力直徑為1 mm，通道壁厚0.6 mm。

試驗通道組總長度為150 mm。其中：進(jìn)口段30 mm，用于冷卻氣流在通道內(nèi)充分發(fā)展；試驗段100 mm，沿流向被平均分成5個加熱點單獨加熱，各加熱點之間的加熱熱流相等，相鄰加熱單元間用絕熱材料進(jìn)行絕熱處理，其中兩端加熱點為通道提供絕熱邊界，中間3個加熱點為試驗點；出口段20 mm，用于消除出口段對通道出口處流動的擾動。對整個試驗件的數(shù)值模擬結(jié)果顯示，無論是在靜止?fàn)顟B(tài)還是在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，各通道間流量分配的不平均度小于2%。

相鄰銅塊之間通過2 mm厚的尼龍墊片進(jìn)行隔熱，尼龍導(dǎo)熱系數(shù)為銅的1/2000。在試驗室工況下，通過尼龍絕熱墊片的熱流不高于銅塊加熱熱流的4%。

本試驗采用徑向入流的流動方式，如圖2（c）所示，冷卻氣體從高旋轉(zhuǎn)半徑流向低旋轉(zhuǎn)半徑。

圖2 試驗件通道組結(jié)構(gòu)

本試驗?zāi)Ｐ驮谠囼炌ǖ廊肟诤统隹诙嗽O(shè)有集氣腔，對腔內(nèi)氣體總壓進(jìn)行測量，通過數(shù)值模擬驗證可知集氣腔內(nèi)總壓和通道組進(jìn)、出口處總壓相差不大，從而通過測量腔內(nèi)總壓得到通道進(jìn)、出口總壓差。

1.2 試驗裝置

試驗臺如圖3所示，由進(jìn)氣段、主支撐段、試驗段和數(shù)據(jù)采集段組成。在冷氣入口前段通過熱式流量計測量冷卻空氣的質(zhì)量流量，通過旋轉(zhuǎn)進(jìn)氣接頭實現(xiàn)冷卻空氣由靜止到旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)化。試驗件安裝在試驗段，由熱電偶測量的溫度信號通過旋轉(zhuǎn)亞當(dāng)實現(xiàn)實時監(jiān)測，測試系統(tǒng)及加熱膜的供電和數(shù)據(jù)信號輸出通過滑環(huán)引電器實現(xiàn)動靜轉(zhuǎn)化，壓力信號則直接通過尾部的旋轉(zhuǎn)測壓接頭引出，在靜止條件下直接測量。

圖3 試驗臺結(jié)構(gòu)

試驗供氣系統(tǒng)包括空氣壓縮機、空氣過濾器、穩(wěn)壓腔、穩(wěn)壓閥、電動流量調(diào)節(jié)裝置以及熱式質(zhì)量流量計。空氣經(jīng)供氣系統(tǒng)的穩(wěn)壓除塵處理后進(jìn)入試驗臺。旋轉(zhuǎn)進(jìn)氣接口及試驗臺中引氣管道嚴(yán)格密封，在進(jìn)入試驗臺旋轉(zhuǎn)進(jìn)氣接口之前測量流量，不會產(chǎn)生誤差。

2 結(jié)果分析

2.1 靜止?fàn)顟B(tài)

Po隨Re的變化曲線如圖4所示。從圖中可見，通道Po隨Re的增大而增大。這與經(jīng)典理論的常規(guī)尺度光滑圓管層流狀態(tài)下Po=64的結(jié)論不同。而非光滑壁面通道在層流段Po隨Re的增大而增大[11]，與本試驗結(jié)果相吻合。所以采用線切割工藝加工的試驗表面在微小通道內(nèi)不能認(rèn)為是光滑壁面。

圖4 在靜止?fàn)顟B(tài)下Po與Re的關(guān)系

流阻系數(shù)f隨Re的變化規(guī)律如圖5所示。從圖中可見，通道內(nèi)的流阻大于常規(guī)尺度光滑圓管的。Re增大到2350時，流阻系數(shù)出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折現(xiàn)象，表明此時已經(jīng)進(jìn)入層流和湍流間的過渡流動狀態(tài)[12]。

圖5 流阻系數(shù)f與Re的關(guān)系

3個試驗測點及平均Nuχ隨Re的變化規(guī)律如圖6所示。試驗測點沿流動方向分為P1、P2、P3。從圖中可見Nuχ隨Re的增大而增大。

圖6 在靜止?fàn)顟B(tài)下Nux隨Re的變化規(guī)律

式中：L*為試驗點與試驗段入口的距離；Lexp為試驗段總長度。

在靜止?fàn)顟B(tài)下Nuχ隨χ變化趨勢如圖7所示。從圖中可見，通道的換熱效果沿流動方向逐漸減弱，由于微小通道結(jié)構(gòu)有很強的流向?qū)嵝Ч诟髟囼烖c加熱熱流相同的情況下，沿流動方向，通道內(nèi)當(dāng)?shù)刂髁鳒囟壬?，壁溫也升高，在流向?qū)岬淖饔孟?，熱流會向通道進(jìn)口方向傳導(dǎo)，使得進(jìn)口處的局部換熱效果增強。

2.2 旋轉(zhuǎn)狀態(tài)

在不同轉(zhuǎn)速下Po隨Re的變化曲線如圖8所示。

為了研究試驗通道沿流動方向換熱效果的分布，定義無量綱數(shù)χ為試驗點的無量綱徑向距離從圖中可見，在本試驗工況范圍內(nèi)，Po隨轉(zhuǎn)速的變化改變不明顯。在不同轉(zhuǎn)速下流阻系數(shù)f隨Re的變化曲線如圖9所示，從圖中可見，隨著轉(zhuǎn)速的增大，通道的臨界Re變化也不明顯。

圖7 在靜止?fàn)顟B(tài)下Nux隨x變化趨勢

圖8 在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下Po隨Re的變化趨勢

圖9 在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下f隨Re的變化趨勢

為對比旋轉(zhuǎn)與靜止?fàn)顟B(tài)的差別，定義旋轉(zhuǎn)換熱系數(shù)比α

式中：Nus為靜止?fàn)顟B(tài)下綜合換熱系數(shù)。

平均旋轉(zhuǎn)換熱系數(shù)比和沿程旋轉(zhuǎn)換熱系數(shù)比隨Ro的變化趨勢如圖10所示。從圖10（a）可見，通道平均Nuχ隨著Ro的增大而增大。旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的二次流對后緣面的沖擊作用強化了通道內(nèi)部的換熱效果。Wen-Lung Fu等[10]在試驗工況為550 r/min時，對寬高比為1∶4的常規(guī)尺度矩形通道的試驗結(jié)果顯示，在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下、Re=3000時，α=3左右。而本試驗中雖然轉(zhuǎn)速和寬高比與其相似，但是在相同Re下α僅約為1.04。這種換熱增強效果的差異，是由于本試驗為原尺寸微小通道模型，水力直徑比上述常規(guī)尺度通道的小，在相同轉(zhuǎn)速和Re的條件下，Ro為其1/140左右，所以通道內(nèi)的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)很弱，由哥氏力產(chǎn)生的二次流的流動效果很弱，對換熱的強化作用并不明顯。從圖10（b）、（c）可見，在通道入口處，Nuχ和Ro并沒有明顯的關(guān)系，但隨著流動的發(fā)展，Nuχ隨著Ro的增大而增大的現(xiàn)象逐漸明顯。P1試驗點Nuχ隨Ro的變化不明顯是由于較弱的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)無法使二次流在進(jìn)口段就充分形成。表明在微小通道內(nèi)二次流始終處于不斷增強的發(fā)展過程中。

圖10 在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下α與Ro的關(guān)系

3 結(jié)論

（1）本試驗?zāi)Ｐ驮陟o止?fàn)顟B(tài)下，在Re<2300時，Po隨Re的增大而增大，與光滑通道理論結(jié)果不符，所以在微小通道結(jié)構(gòu)中，采用線切割等傳統(tǒng)工藝加工的試驗件表面不能視為光滑壁面，粗糙度會對通道流動特性產(chǎn)生影響。

（2）本試驗?zāi)Ｐ驮陟o止?fàn)顟B(tài)下，通道臨界Re約為2350。

（3）在靜止?fàn)顟B(tài)下，通道Nuχ隨著Re的增大而增大，且進(jìn)口段換熱效果更強。

（4）在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，在本試驗的試驗工況范圍內(nèi)，通道流阻系數(shù)和臨界Re均沒有明顯變化。平均Nuχ隨Ro的增大略有增大，其主要原因在于微小通道的幾何尺寸較小，導(dǎo)致Ro很小，旋轉(zhuǎn)效應(yīng)不夠顯著。但在一定轉(zhuǎn)速下，局部Nuχ沿流動方向增大幅度提高，表明在微小通道內(nèi)二次流始終處于不斷增強的發(fā)展過程中。

[1]孫紀(jì)寧，鄧晶，鄧宏武.渦輪葉片微小通道氣膜新型復(fù)合冷卻機構(gòu)設(shè)計 [J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報,2012，38（5）: 702-706. SUN Jining，DENG Jing，DENG Hongwu.New microchannelfilm cooling composite structural design in turbine blades[J].Journal of Beijing University of Aeronauties and Astronautics,2012，38 （5）:702-706.（in Chinese）

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Experimental Study on Flow and Heat Transfer of Rectangular Microchannels on Rotating State

SUN Hao-feng,SUN Ji-ning
（School of Jet Propulsion,Beihang University,Beijing 100191,China）

In order to find a way to use the microchannels into aeroengine turbine blades,the experimental investigation was conducted to explore the flow and heat transfer behaviors in the rectangular microchannels, which hydraulic diameter is 1mm,taken air as coolant,in which the range of the Reynolds number is from 1000 to 3000.The rotating velocity varies from 0 to 500 r/min.The rotating numbers are changing from 0 to 3.5×10-3.The results showed that the flow resistance coefficient of the microchannels renders the rough wall characteristics.The critical Reynolds number is about 2350.With the increasing of the rotating velocity,the flow resistance coefficient and the critical Reynolds number shows no significant change.In the stationary state,the integrated heat transfer coefficient is increasing with the Reynolds number,but its distribution go down along the flow direction.In the rotating state,the integrated heat transfer coefficient increases slightly.The influence of rotating on the heat transfer characteristics increases with the developing of the flow.

microchannel;flow resistance coefficient;critical Re number;heat transfer;rotating

孫浩峰（1988），男，在讀碩士研究生，研究方向為計算傳熱和試驗傳熱。

國家自然科學(xué)基金（51006008）資助

2012-09-25