带肋和出流孔通道换热研究

郭涛，朱惠人，苏福彬，许都纯

（西北工业大学动力与能源学院，西安710072）

1 引言

带肋和出流孔通道是燃气涡轮发动机涡轮叶片中常用的冷却结构，冷却空气在通道内流动对壁面进行冷却时，一部分气流由出流孔流出，在叶片表面形成气膜冷却，或在内部形成冲击冷却，从而构成组合冷却方式，提高冷却空气的利用效率。

在相关研究中，针对无出流孔的带肋通道，文献[1]对通道中的换热和流动阻力进行了研究，分析了肋角度和通道高宽比等几何因素对流动和换热特性的影响；文献[2]测量了带肋通道中的换热分布和流场；文献[3]对带肋通道内的流动进行了数值模拟研究。以上研究得到的详细流动和换热分布，揭示了肋对流动的影响和增强换热的机理。针对出流对换热的影响，文献[4]对无肋通道出流孔附近的冷却空气流动及换热进行了研究，得到了出流影响下的换热分布规律，揭示了出流对通道内壁面的强化换热机理。针对带肋和有出流的通道，文献[5]对通道内冷却空气的流动情况进行了数值模拟，分析了通道内的流场；文献[6]研究了不同形式的肋对换热分布的影响；文献[7]研究了不同出流情况对换热分布的影响。研究表明，出流使有出流壁面换热分布发生较大改变，但其研究都只针对带肋和出流孔壁面。

本文针对带肋和出流孔通道，对通道中带肋壁和光滑壁的换热分布以及雷诺数和出流比对换热特性的影响进行实验研究。

2 实验装置和测试方法

2.1 实验装置

实验装置如图1所示，实验时压缩机1关闭，以气罐2中的高压空气作为气源，高压空气由阀门4调节并由流量计3测量流量，经前稳定箱5稳定后进入实验通道7，前稳定箱5内装有多孔板，且为收缩出口，以保证气流在通道入口速度均匀，通道入口处装有快速加热器6，对气流进行快速加热，实验通道内一部分气流由通道的出流孔排出，另一部分进入后稳定箱8，经阀门9和流量计10排出，实验出流比由阀门9调节并由流量计3和10的测量结果计算。正对研究表面，布置有照明光源11和CCD摄像机12，用以记录研究表面液晶颜色的变化。实验开始前，在总容积为140 m3的气罐中充入0.6 MPa的高压空气，由于实验流量小，持续时间短，实验过程中气罐内压力、温度的变化，以及由此导致的通道内工况参数的变化可以忽略。

实验通道如图2所示，截面为矩形，高宽比为1:1，当量直径De=70 mm，2相对壁面带肋，肋与通道中心线呈90°，差排布置，其中有出流孔的带肋壁面15根，无出流孔带肋壁面14根。肋截面为矩形，肋宽与肋高之比为1:1，肋高与通道水力直径之比为1：10，肋距与肋高之比为1:10。通道中1带肋壁面有出流孔，出流孔位于相邻2肋之间中心位置，出流孔直径与通道当量直径之比为1:10，长径比为2.9:1，出流孔垂直于所在壁面。

2.2 测试方法

实验通道各壁面换热系数的测量采用热色液晶瞬态测试方法，即在研究表面均匀喷涂热色液晶，实验开始前将通道入口雷诺数和出流比调整至目标值；实验开始时，快速加热器使气流温度迅速升高，研究表面的温度由于对流换热而上升，由热色液晶测量其温度分布及其随时间的变化。表面温度Tw随时间τ的变化过程与对流换热系数h、气流温度Tg、壁面初始温度T0和材料物性有关。因此，实验中只要记录表面温度和气流温度的变化过程Tw(τ)、Tg(τ)，并已知实验件初始温度T0和物性（如密度ρ、比热c、导热系数λ），即可用瞬态导热理论求解对流换热系数。通常为简化计算过程，将实验限定在较短时间内完成，此时壁面内部为1维半无限大导热状态，气流温度阶跃升高时，各参数之间的关系为

若气流温度升高不是阶跃过程，可用若干阶跃过程进行拟合，相应参数之间的关系变为

为满足上述2式的应用条件，实验时间应满足τ≤（δ2ρc）/（16λ）。具体实验方法见文献[8]。由于研究采用的实验通道壁厚不同，所允许的最大实验时间对有出流孔壁面（δ=20 mm）为231 s，对其他壁面（δ=10 mm）为58 s。

研究中各参数定义如下。通道入口雷诺数

通道总出流比

努塞尔数

式中：min、mout为通道入、出口质量流量；A为通道截面积；μ为动力黏性系数。

实验通道入口雷诺数为Re=20000、40000、60000、80000，通道总出流比为Br=0.30、0.45、0.60。

3 结果及分析

3.1 通道各壁面换热分布

2个无肋侧壁以通道中心对称，因此实验测量了2个带肋壁面和1个侧壁的换热分布。各工况实验结果规律类似，以Re=60000、Br=0.6的工况为例进行分析，如图3所示。无出流带肋壁面，换热在2个相邻肋间的中心区域和下游肋的上游区域较强，上游肋的下游存在低换热区域。出流使通道内的气流速度逐渐减小，换热逐渐减弱；而在带肋和出流孔壁面，根据文献[5]对类似通道中流动情况的数值模拟，由于出流作用，一方面使通道中心的气流偏向壁面；另一方面，使壁面附近靠近中心线的流动速度减慢，而靠近侧壁的气流偏向出流孔。因而在孔的附近，尤其是孔的下游，出现高换热区，而在出流孔上游，壁面中心线附近的换热低于两侧，形成“倒C”形[7]换热分布。在通道长度方向，靠近通道入口处，肋的扰流作用和出流造成的气流偏转作用逐渐加强，使壁面2肋之间的换热增强，在x/De=2～3时达到最大。此后，出流造成的流速减慢使换热逐渐减弱；在无肋侧壁上，可以清楚的看到2壁面不同换热强度的过渡趋势。侧壁上靠近出流一侧，在靠近通道入口处（x/De＜3），由于差排肋导致的气流周期性上下偏转尚未充分建立，肋扰流形成的高换热区域向下游影响范围较大，随x/De的增大，周期性偏转流动稳定后，高换热影响区在通道高度方向增大，沿流向有所减小，呈蚕豆形，换热最高区域位于肋的上方偏上游位置。由于通道内流量逐渐减小，努塞尔数的数值亦随之减小。由于实验件法兰安装边的遮挡，侧壁上方10 mm区域未取得数据，该区域高度大于肋高（7 mm），无出流带肋壁面的肋对侧壁换热的影响被部分遮挡，但依然可以看出，相对无出流的带肋壁面，带出流孔壁面的肋对侧壁换热造成的影响区域较大。这是出流与肋的综合作用使有出流壁面附近流动的3维特征更加明显造成的。

3.2 雷诺数对各壁面平均换热特性的影响

雷诺数对各壁面平均换热特性的影响如图4～6所示。其中Nu0是按照经典的光滑管内强制对流换热经验公式Nu0=0.023Re0.8Pr0.33计算的。由图4～6中的（a）图可见，各壁面平均努塞尔数均随雷诺数的增大而增大。对于无出流孔的带肋壁面和侧壁（图4（a）、图5（a）），平均努塞尔数在各出流比下有所不同，而在带肋和出流孔壁面（图6（a）），其平均努塞尔数的变化曲线在各出流比下基本重合，表明出流量的大小对有出流壁面的影响程度很小。图4～6中的（b）图为换热增强系数Nu/Nu0随雷诺数的变化，换热增强系数均随雷诺数的增大而减小，说明其强化换热效果随雷诺数增大而变差，其原因与高雷诺数下管内流动更趋于充分湍流有关。各壁面的不同在于：（1）对于无出流孔的带肋壁面和侧壁（图4（b）、图5（b）），在相同雷诺数下，换热增强系数随出流比的增大而减小。而带肋和出流孔壁面（图6（b）），在不同出流比下，换热增强系数基本相同。（2）随雷诺数的增大，2带肋壁面的换热增强系数的减小速度逐渐趋缓，说明雷诺数较大时肋导致的扰动趋于较为稳定的状态，而无肋侧壁增强系数随雷诺数增大而减小的速度无明显变化。（3）从换热增强系数的数值上看，带肋和出流孔壁面换热增强作用最大，侧壁的次之，无出流带肋壁面的最小。

3.3 出流比对各壁面平均换热系数的影响

如图7所示，对于无出流孔的带肋壁面，努塞尔数和换热增强系数随出流比的增大而减小，小雷诺数情况下换热增强系数减小的速度比大雷诺数下的更快，这说明出流比的影响在小雷诺数下更加明显。随雷诺数的增大，换热增强系数的差别减小。如图8所示，对于侧壁，努塞尔数和增强系数亦随出流比的增大而减小，且随雷诺数的增大，其减小的趋势更加明显。如图9所示，对于带肋和出流孔壁面，努塞尔数和换热增强系数均不随出流比的变化而改变。原因在于各壁面导致换热增强的因素各不相同，对于无出流孔的带肋壁面和侧壁，流速是主要影响因素，出流越大通道内流速降低越多，造成努塞尔数和换热增强系数随出流比增大而减小。对于带肋和出流孔壁面，出流导致的气流向壁面偏转是决定换热情况的重要因素，相比之下通道内流速降低对换热的影响较弱，在出流比Br=0.3时，壁面附近的气流偏转已很充分，出流比越大只会使越靠近通道中心的气流发生偏转，而不会对壁面附近的流动情况产生大的影响，换热分布和增强程度亦不随出流比的变化而变化。

4 结论

根据实验测量结果，在本文所研究的雷诺数和出流比范围内，有如下结论：

（1）出流对带肋通道各壁面换热均有较大影响，且影响规律各不相同。

（2）出流的存在使无出流孔的带肋壁面换热系数沿通道方向减小，使带肋和出流孔壁面的换热系数沿通道方向先增大后减小。

（3）各壁面努塞尔数随雷诺数增大而增大，换热增强系数随雷诺数增大而减小。

（4）无出流孔的带肋壁面及侧壁的努塞尔数和换热增强系数随出流比升高而减小，带肋和出流孔壁面的努塞尔数和换热增强系数不随出流比的变化而变化。

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