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(西北工業(yè)大學動力與能源學院，陜西 西安 710072)

微尺度受限沖擊冷卻通道換熱特性研究

鄭杰，朱惠人，孟通，路宏康，閆建坤

(西北工業(yè)大學動力與能源學院，陜西 西安 710072)

0 引言

現(xiàn)代航空發(fā)動機的燃氣溫度已遠遠高于材料耐熱極限。必須對高溫部件采取有效的冷卻措施[1]以保證其安全工作。以往有關冷卻結構流動特性的研究主要是基于毫米以上的宏觀尺度進行的，流態(tài)視為連續(xù)介質流動。根據相關參考文獻[2]，將大于1mm的尺度成為宏觀尺度，1μm～1mm的尺度成為微尺度。目前，國內外學者已經對槽道、圓管內微尺度流動換熱進行了一些研究[3-10]。但是涉及渦輪葉片內部受限沖擊冷卻結構的微尺度結構的研究相對較少。因此,在此背景下研究了雷諾數、孔徑、孔間距和沖擊距等參數對流動及換熱的影響規(guī)律。

1 實驗裝置及實驗方法

實驗系統(tǒng)中空氣從高壓氣瓶通過第一個高壓壓力截止閥，然后通過0.01μm高精度過濾器，在進入小孔實驗段前有一個高壓壓力調節(jié)閥來調節(jié)實驗段進口前壓力。由于實驗中，最高進口壓力為1.5MPa。因此,選擇12MPa的高壓氣瓶，并且串聯(lián)在一起。為了防止小孔試驗件堵塞和保證空氣的品質，在小孔實驗臺上的過濾器選擇為0.01μm高精度空氣過濾器。壓力采集系統(tǒng)采用羅斯蒙特的耐壓為4 MPa的絕壓表和2個耐壓為4 MPa的差壓表，差壓表量程為0～700Pa和700Pa～300kPa，調節(jié)閥采用耐高壓4 MPa的壓力截止閥，來控制實驗段前的壓力。流量計前的壓力截止閥主要是來保證流量計前的壓力穩(wěn)定，使流量計在測量中減小波動。試驗中采用高精度的美國ALICAT質量流量控制器，量程為0～100L/min。

實驗段由前腔、沖擊孔隔熱板、紫銅試驗件、加熱鋼帶、隔熱出流孔板與后腔6部分組成，通過外部法蘭相互擠壓，來密封沖擊腔。實驗中通過加直流電源的鋼帶給試驗件加熱，由于紫銅有良好的導熱性能，導熱系數為398W/(m·K)。因此,紫銅試驗件的溫度分布比較均勻。通過直流電源輸出的電流、電壓相乘就是鋼帶全部的加熱量，用全部的加熱量減去熱損失就是紫銅塊加熱的凈熱量。熱損失是在安裝好試驗件后，不通主流的情況下給鋼帶加熱，等待試驗件的溫度與環(huán)境溫度達到相對穩(wěn)定的時候記錄數據，通過加不同的電流電壓，得到不同的加熱量與試驗件和環(huán)境溫差的數據。主流空氣的溫度取進出口的平均溫度，紫銅塊兩邊布置有8個熱電偶，取這8個熱電偶的平均溫度為紫銅塊的溫度。

2 數值計算方法

計算模型由于結構對稱，計算域取多孔排中一個對稱單元為計算單元如圖1所示。單元設為對稱性邊界條件，包括半個沖擊孔，半個氣膜孔，半個沖擊腔。沖擊孔與氣膜孔孔徑相同，分別取孔徑D=0.3mm，0.4 mm，0.5mm。沖擊孔與氣膜孔間隔排列，沖擊孔與沖擊孔孔間距分別取P=5D,10D，沖擊距分別取P=2D,2.5D,3D。改變不同孔徑、孔間距和沖擊距可以得到不同結構下的流動與換熱。

計算中采用結構化與非結構化混合網格，近壁處增加了邊界層網格，經過網格無關性驗證后最終網格數量為130萬左右，如圖2所示。采用Fluent進行求解，選用RNG k-ε雙方程湍流模型和增強壁面函數。壓力速度耦合采用Simplec算法，動量方程，能量方程和湍流方程都采用二階迎風格式。各方程殘差均小于1e-6，且不再降低。進口為流量進口條件，雷諾數變化范圍與實驗條件一致，都為Re=1000～10000，進口靜止溫度為300K，出口給定出口壓力條件，并且給定恒定熱流密度條件。冷卻氣體視為可壓縮理想氣體。

圖1 計算域

圖2 計算網格

3 結果分析

3.1 沖擊孔徑對換熱的影響

為了模擬發(fā)動機真實尺寸下?lián)Q熱情況。某型航空發(fā)動機渦輪葉片沖擊孔進口的真實工況為P=2.4 MPa，T=800K。不同孔徑下沖擊通道平均對流換熱系數(HTC)隨雷諾數變化分布如圖3和圖4所示。可以推導出，對于不同孔徑但相同長度的冷卻通道，沖擊雷諾數相同即可保證總冷氣量一致。可以觀察到，隨著孔徑的減小，沖擊通道平均對流換熱系數增大，換熱效果得到明顯提升。圖3中，在相同的孔間距下，當孔間距P/D=5時，不同孔徑的換熱系數增長率隨著孔徑的減小而增大，并且在相同的雷諾數下?lián)Q熱系數差距比較明顯。在圖4中，當孔間距P/D=10時，在相同的孔間距下，換熱系數在相同的雷諾數時比較接近。

圖3 P/D=5時，不同孔徑下HTC隨雷諾數變化分布

圖4 P/D=10時，不同孔徑下HTC隨雷諾數變化分布

圖5 不同孔徑下沖擊靶面局部對流換熱系數云圖

沖擊孔徑的變化不僅改變了靶面平均換熱效果，同時還對局部產生了明顯影響。圖5顯示了孔徑D分別為0.3mm，0.4 mm，0.5mm，孔間距P=5D，沖擊距H=2D，Re=6000時沖擊靶面的局部對流換熱系數分布云圖。沖擊靶面上的換熱差異是由于沖擊射流流動情況發(fā)生了變化。由圖中可以看出，沖擊靶面對流換熱系數的分布趨勢一致，但在換熱強化區(qū)即沖擊孔下方圓形駐點區(qū)域內出現(xiàn)差異。隨著孔徑的減小，駐點內靶面的對流換熱系數峰值增大。這是由于相同流量下隨著孔徑的增大，沖擊氣流速度逐漸降低。因此,駐點內換熱系數趨于平均。

3.2 沖擊距離對換熱的影響

不同沖擊距下沖擊通道平均對流換熱系數隨雷諾數變化分布如圖6和圖7所示?？梢杂^察到，沖擊通道的平均對流換熱系數隨著沖擊距的減小而增大，并且3種沖擊距下沖擊通道的平均對流換熱系數隨雷諾數變化趨勢基本相當，且在孔間距為P/D=10時，如圖7所示，H/D=2.5與H/D=3時沖擊通道的平均換熱系數差別很小，但兩者與H/D=2時相差明顯，并且平均換熱系數的斜率隨著孔徑的增大而減小。當孔間距為P/D=5時，如圖6所示，3種沖擊距下不同孔徑下的平均換熱系數均有比較明顯的差別，并且此時的平均換熱系數的斜率也是隨著孔徑的增大而減小。沖擊距減小可以提高當地的峰值，但是當孔間距較大時換熱系數的平均值與大間距相同。這說明，改變沖擊距對沖擊靶面換熱會有影響，但是在大孔間距條件下，射流與靶間距距離變化范圍較小時，平均對流換熱系數變化不明顯。

圖6P/D=5不同沖擊距下沖擊 通道HTC隨雷諾數變化分布

圖7P/D=10不同沖擊距下沖擊 通道HTC隨雷諾數變化分布

數值計算值中在所計算沖擊距范圍內，改變沖擊距對靶面換熱的影響不很明顯。沖擊靶面上對流換熱系數在沖擊區(qū)駐點附近保持著一個較高的值，隨著與沖擊中心徑向距離的增大而減小。改變沖擊距對沖擊空下方圓形駐點區(qū)域內換熱效果有影響，隨著沖擊距的減小，駐點區(qū)域內對流換熱系數峰值略有提高，駐點區(qū)域增大，當地換熱得到改善。在靠近壁面處的換熱薄弱區(qū)內，靶面對流換熱系數隨著沖擊距的增大而增高，換熱有提高。但靶面換熱系數整體分布隨沖擊距變化并無明顯改變。

3.3 沖擊孔間距對換熱的影響

孔間距不同時，沖擊通道平均對流換熱系數隨雷諾數變化分布如圖8所示，可以觀察到隨著沖擊孔間距的增大所有結構的換熱系數是減小的，由于沖擊孔間距的增大，使得單位面積的熱流量減小。因此,換熱系數隨著沖擊孔間距的增大而減小。并且可以觀察到，所有結構的整體平均對流換熱系數均隨雷諾數增加而增大。

圖8 不同孔間距下沖擊通道平均對流 換熱系數隨雷諾數變化分布

圖9 不同孔間距下沖擊靶面對流換熱系數云圖

沖擊孔間距的變化明顯改變了靶面平均換熱效果，也對靶面換熱分布有著很大影響。圖9顯示了3種沖擊孔徑下，孔間距分別為5D,10D，沖擊距H=2D，Re=6000時，沖擊靶面的對流換熱系數分布云圖。從圖中可以看出，沖擊靶面對流換熱系數的分布隨著孔間距變化有很大差異。沖擊孔正下方圓形駐點區(qū)域內對流換熱系數峰值基本一致，強化換熱的駐點區(qū)域也無明顯改變，總體來講在圓形駐點區(qū)域內局部換熱效果大體相同，只是在下游換熱區(qū)域，P=10D換熱較弱?？组g距P=5D時靶面大部分處于沖擊換熱較好區(qū)域，但是，隨著孔間距增加到P=10D時，沖擊強化區(qū)已不能很好覆蓋整個沖擊靶面。此時，靠近出流孔附近區(qū)域的換熱系數與位于沖擊孔與出流孔中部的低換熱區(qū)域內的換熱系數相比有所升高，出流對換熱的強化作用隨著孔間距的增加而增大，但這種換熱增強的效果要弱于沖擊換熱的強化效果。

4 結束語

通過研究某發(fā)動機真實尺寸下受限小空間內沖擊-氣膜復合冷卻內通道的流動與換熱特性，結果表明，不同沖擊孔徑大小對沖擊換熱效果有顯著影響。因此，在給定冷氣量下合理選擇沖擊孔徑有利于改善沖擊冷卻效果;沖擊Re、沖擊孔間距P/D及沖擊距離H/D均顯著影響了復合冷卻效果，相同沖擊雷諾數、孔徑D和沖擊距離H/D，不同孔間距P/D時，通道整體平均換熱系數隨著孔間距的減小而增大，換熱效果改善明顯;在相同雷諾數、孔徑D、孔間距P/D和不同沖擊距H/D的條件下，通道整體平均換熱系數隨著沖擊距的減小而增大，但變化不明顯。

[1] Bunker R S.Gas turbine heat transfer:Ten remaining hot gas path challenges[J].Journal of Turbomachinery,2007,129(2):193-201.

[2] 陶然,權曉波,徐建中等.微尺度流動研究中的幾個問題[J].工程熱物理學報,2001,22(5):575-577.

[3] Owhaib W,Palm B.Experimental investigation of single-phase convective heat transfer in circular microchannels[J].Experimental Thermal and Fluid Science,2004,28(2/3):105-110.

[4] Jung J Y,Oh H S,Kwak H Y.Forced convective heat transfer of nanofluids in microchannels[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2009,52(1/2):466-472.

[5] 馬吉.微小通道內低雷諾數流動的實驗研究[D].南京:南京航空航天大學,2004.

[6] Van Rij J,Ameel T,Harman T.The effect of viscous dissipation and rarefaction on rectangular microchannel convective heat transfer[J].International Journal of Thermal Sciences,2009,48(2):271-281.

[7] Al Bakhit H, Fakheri A. A hybrid approach for fullnumerical simulation of heat exchangers[R].ASME,HT2005-72745.

[8] 鄔小波，過增元.微細光滑管內氣體的流動與傳熱特性研究[J].工程熱物理學報，1997,18(3)：326-330.

[9] 張效偉,朱惠人,張霞,等.小尺度孔的流量系數試驗[J].航空動力學報,2010,25(11):2479-2485.

[10] Lau S C,Han J C,Kim Y S.Turbulent Heat Transfer and Friction in Pin Fin Channels With Lateral Flow Ejection[J].ASME J.Heat Transfer,1989(111):51-58.

Investigation of Jet Impingement Heat Transfer for Micro-channel

ZHENGJie，ZHUHuiren，MENGTong，LUHongkang，YANJiankun

(School of Power and Energy,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072,China)

為了更進一步研究真實發(fā)動機尺寸下沖擊通道的流動與換熱情況，針對沖擊孔與氣膜孔組合形式的受限沖擊通道，在保證與真實發(fā)動機工況相等的克努森數，通過實驗研究與數值模擬研究，進一步解釋了不同結構微小沖擊通道的整體換熱情況，結果表明，在相同的雷諾數下，沖擊射流孔徑越小，沖擊靶面駐點區(qū)域內換熱越強，沖擊平均對流換熱系數越大?？组g距越小，沖擊靶面平均對流換熱系數越大，并且隨著射流沖擊距的增大，換熱減弱。

沖擊冷卻；微尺度；數值模擬；換熱系數；雷諾數

In order to investigate the flow and heat transfer characteristics of inner cooling channel with real engine sizes.This paper mainly to investigate the heat transfer characteristics of micro-scale confined impingement cooling structures.Knudsen number is equal to the Knudsen number in real working condition of engine.The thermodynamic characteristics of micro-scale impingement channels with different geometry are studied by experiment and numerical simulation.The results show that with the same Reynolds number,average heat transfer coefficient of channel increases as the holes diameter decreases,and it decreases as the magnitude of impingement distance or hole spacing increases.

impingement cooling;micro-scale; numerical simulation;heat transfer coefficients;Reynolds

2014-04-09

V239

A

1001-2257(2014)08-0022-04

鄭杰(1987-)，男，甘肅平涼人，博士研究生，研究方向為航空發(fā)動機熱端部件冷卻以及微小尺度的流動與換熱。