旋转状态下矩形微小通道流动与换热试验研究

2013-07-07孙浩峰孙纪宁

航空发动机 2013年5期

关键词：涡轮流动系数

孙浩峰，孙纪宁

（北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京100191）

旋转状态下矩形微小通道流动与换热试验研究

孙浩峰，孙纪宁

（北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京100191）

为了研究微小通道结构在航空发动机涡轮叶片中应用的前景和可行性，以空气为冷却介质，在Re＝1000～3000、转速为0～500 r/min、Ro＝0～3.5×10-3条件下，对水力直径为1 mm的旋转微小通道组的流动和换热特性进行试验研究。结果表明：微小通道流阻系数呈现粗糙壁通道特征，通道临界Re≈2350，流阻系数以及临界Re随转速增加未见明显改变。在静止状态下，通道组综合换热系数随Re增大而增大，换热系数分布沿流动方向逐渐减小；在旋转状态下，通道组平均综合换热系数略有增大，旋转对换热特性的影响随着流动的发展而增大。

微小通道；流阻系数；临界雷诺数；换热；旋转

0 引言

随着航空涡轮风扇发动机性能提升，要求发动机涡轮前温度不断提高。通过缩小通道尺寸以增加换热面积的方法可以有效提高叶片冷却效果，但受加工工艺限制，目前可以实现的最小通道尺寸为0.1～1.0 mm量级。典型结构为微小通道气膜新型复合冷却结构[1]。

Hetsroni[2-3]等通过对可实现的最小通道的研究发现，微小通道中气体在充分发展的层流中，试验获得的阻力系数可以与传统理论预测值很好地吻合，临界Re=1800～2200；Poh-Seng Lee[4]等认为微小通道内流动特性与传统N-S方程的预测结果十分接近；Pfund[5]等人发现，光滑矩形微小通道的临界Re=2000，试验获得的Po大于理论预测值。

同时，Poh-Seng Lee[4]、刘庆东[7]、马世岩[8]对微小通道结构的换热效果进行了研究。结果表明微小通道结构可以大大提高换热效率，但强化幅度并未达成统一结论。

另外，涡轮转子叶片具有旋转运动的特点。通过对常规尺寸旋转状态下的研究发现，旋转对通道流动状态产生重要影响，随着旋转数的增加影响效果显著加强[9]；由于流动状态的改变，旋转通道的换热效果也有所改变[10]。但旋转效应对微小通道是否存在影响的研究仍处于空白。

为此，本文在原尺寸状态下对涡轮叶片尺度的微小通道的临界Re及外壁面综合换热系数进行研究，并考虑旋转效应对二者的影响。

1 试验模型和系统

为研究临界Re以及通道流阻特性，定义通道内流动阻力系数f及Re

式中：ΔP为通道两端总压压差；L为通道长度；dh为通道截面水力直径；u为特征速度。

定义泊肃叶数Po

为研究微小通道换热特性，定义综合对流换热系数hχ

式中：Ω为转速。

本试验利用铜的高导热系数特性，采用铜块-加热膜组合加热单元，模拟局部等壁温边界条件，并在非换热面加绝热材料，减小热损失。总加热功率q可通过计算加热膜发热功率（q=U×I）获得，铜块内埋设热电偶测量铜块温度即壁温Tw，如图1所示。

1.1 试验模型

整体试验模型如图2（a）所示。为提高冷气流量测试精度，试验采用微小通道组的方法进行，即采用50个通道的通道组结构，各通道流量均匀分配，流量

式中：λ为冷却空气导热系数。

为研究旋转效应对流动及换热的影响，定义旋转数Ro

式中：q为总加热功率；qloss为热损失功率；A为换热面积；Tw为通道外壁面温度；Tf为当地主流温度，利用进出口流体温度线性插值获得。

图1 加热单元结构

定义无量纲综合换热系数Nuχ测点处的流量大大增加，从而减小测量误差，如图2 （b）所示。每个通道的截面尺寸为0.6 mm×3 mm，水力直径为1 mm，通道壁厚0.6 mm。

试验通道组总长度为150 mm。其中：进口段30 mm，用于冷却气流在通道内充分发展；试验段100 mm，沿流向被平均分成5个加热点单独加热，各加热点之间的加热热流相等，相邻加热单元间用绝热材料进行绝热处理，其中两端加热点为通道提供绝热边界，中间3个加热点为试验点；出口段20 mm，用于消除出口段对通道出口处流动的扰动。对整个试验件的数值模拟结果显示，无论是在静止状态还是在旋转状态，各通道间流量分配的不平均度小于2%。

相邻铜块之间通过2 mm厚的尼龙垫片进行隔热，尼龙导热系数为铜的1/2000。在试验室工况下，通过尼龙绝热垫片的热流不高于铜块加热热流的4%。

本试验采用径向入流的流动方式，如图2（c）所示，冷却气体从高旋转半径流向低旋转半径。

图2 试验件通道组结构

本试验模型在试验通道入口和出口端设有集气腔，对腔内气体总压进行测量，通过数值模拟验证可知集气腔内总压和通道组进、出口处总压相差不大，从而通过测量腔内总压得到通道进、出口总压差。

1.2 试验装置

试验台如图3所示，由进气段、主支撑段、试验段和数据采集段组成。在冷气入口前段通过热式流量计测量冷却空气的质量流量，通过旋转进气接头实现冷却空气由静止到旋转的转化。试验件安装在试验段，由热电偶测量的温度信号通过旋转亚当实现实时监测，测试系统及加热膜的供电和数据信号输出通过滑环引电器实现动静转化，压力信号则直接通过尾部的旋转测压接头引出，在静止条件下直接测量。

图3 试验台结构

试验供气系统包括空气压缩机、空气过滤器、稳压腔、稳压阀、电动流量调节装置以及热式质量流量计。空气经供气系统的稳压除尘处理后进入试验台。旋转进气接口及试验台中引气管道严格密封，在进入试验台旋转进气接口之前测量流量，不会产生误差。

2 结果分析

2.1 静止状态

Po随Re的变化曲线如图4所示。从图中可见，通道Po随Re的增大而增大。这与经典理论的常规尺度光滑圆管层流状态下Po=64的结论不同。而非光滑壁面通道在层流段Po随Re的增大而增大[11]，与本试验结果相吻合。所以采用线切割工艺加工的试验表面在微小通道内不能认为是光滑壁面。

图4 在静止状态下Po与Re的关系

流阻系数f随Re的变化规律如图5所示。从图中可见，通道内的流阻大于常规尺度光滑圆管的。Re增大到2350时，流阻系数出现明显的转折现象，表明此时已经进入层流和湍流间的过渡流动状态[12]。

图5 流阻系数f与Re的关系

3个试验测点及平均Nuχ随Re的变化规律如图6所示。试验测点沿流动方向分为P1、P2、P3。从图中可见Nuχ随Re的增大而增大。

图6 在静止状态下Nux随Re的变化规律

式中：L*为试验点与试验段入口的距离；Lexp为试验段总长度。

在静止状态下Nuχ随χ变化趋势如图7所示。从图中可见，通道的换热效果沿流动方向逐渐减弱，由于微小通道结构有很强的流向导热效果，在各试验点加热热流相同的情况下，沿流动方向，通道内当地主流温度升高，壁温也升高，在流向导热的作用下，热流会向通道进口方向传导，使得进口处的局部换热效果增强。

2.2 旋转状态

在不同转速下Po随Re的变化曲线如图8所示。

为了研究试验通道沿流动方向换热效果的分布，定义无量纲数χ为试验点的无量纲径向距离从图中可见，在本试验工况范围内，Po随转速的变化改变不明显。在不同转速下流阻系数f随Re的变化曲线如图9所示，从图中可见，随着转速的增大，通道的临界Re变化也不明显。

图7 在静止状态下Nux随x变化趋势

图8 在旋转状态下Po随Re的变化趋势

图9 在旋转状态下f随Re的变化趋势

为对比旋转与静止状态的差别，定义旋转换热系数比α

式中：Nus为静止状态下综合换热系数。

平均旋转换热系数比和沿程旋转换热系数比随Ro的变化趋势如图10所示。从图10（a）可见，通道平均Nuχ随着Ro的增大而增大。旋转产生的二次流对后缘面的冲击作用强化了通道内部的换热效果。Wen-Lung Fu等[10]在试验工况为550 r/min时，对宽高比为1∶4的常规尺度矩形通道的试验结果显示，在旋转状态下、Re=3000时，α=3左右。而本试验中虽然转速和宽高比与其相似，但是在相同Re下α仅约为1.04。这种换热增强效果的差异，是由于本试验为原尺寸微小通道模型，水力直径比上述常规尺度通道的小，在相同转速和Re的条件下，Ro为其1/140左右，所以通道内的旋转效应很弱，由哥氏力产生的二次流的流动效果很弱，对换热的强化作用并不明显。从图10（b）、（c）可见，在通道入口处，Nuχ和Ro并没有明显的关系，但随着流动的发展，Nuχ随着Ro的增大而增大的现象逐渐明显。P1试验点Nuχ随Ro的变化不明显是由于较弱的旋转效应无法使二次流在进口段就充分形成。表明在微小通道内二次流始终处于不断增强的发展过程中。

图10 在旋转状态下α与Ro的关系

3 结论

（1）本试验模型在静止状态下，在Re<2300时，Po随Re的增大而增大，与光滑通道理论结果不符，所以在微小通道结构中，采用线切割等传统工艺加工的试验件表面不能视为光滑壁面，粗糙度会对通道流动特性产生影响。

（2）本试验模型在静止状态下，通道临界Re约为2350。

（3）在静止状态下，通道Nuχ随着Re的增大而增大，且进口段换热效果更强。

（4）在旋转状态下，在本试验的试验工况范围内，通道流阻系数和临界Re均没有明显变化。平均Nuχ随Ro的增大略有增大，其主要原因在于微小通道的几何尺寸较小，导致Ro很小，旋转效应不够显著。但在一定转速下，局部Nuχ沿流动方向增大幅度提高，表明在微小通道内二次流始终处于不断增强的发展过程中。

[1]孙纪宁，邓晶，邓宏武.涡轮叶片微小通道气膜新型复合冷却机构设计 [J].北京航空航天大学学报,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）

[2]Hetsroni G，Mosyak A，Pogrebnyak E，et al.Fluid flow in microchannels [J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2005，48:1982-1998.

[3]Hetsroni G，Mosyak A，Pogrebnyak E，et al.Heat transfer in micro-channels:comparison of experiments with theory and numerical results [J].International Journalof Heat and Mass Transfer, 2005, 48: 5580-5601.

[4]Poh-Seng L，Garimella S V，LIU Dong.Investigation of heat transfer in rectangular microchannels [J]. InternationalJournalofHeatand Mass Transfer, 2005，48：1688-1704.

[5]Pfund D， RectorD， Shekarriz A.Pressure drop measurements in a micro-channel[J].AIChE J,2000，46:1496-1507.

[6]Xu B，Ooi K T，Wong N T，et al.Experimental investigation of flow friction for liquid flow in microchannels[J].Int.Comm.Heat Transfer,2000，27 （8）：1165-1176.

[7]刘庆东.涡轮叶片新内冷结构的实验研究[D].北京：北京航空航天大学能源与动力工程学院,2006. LIU Qingdong.Experimental investigation of new cooling structural in turbine blade [D]. Beijing：Beihang University,2009.（in Chinese）

[8]马世岩.涡轮叶片微小通道冷却结构的换热研究[D].北京：北京航空航天大学能源与动力工程学院,2009. MA Shiyan.Research on heat transfer of micro channel in the turbine blade cooling structure[D].Beijing：Beihang University,2009.（in Chinese）

[9]Willett F T.An experimental study of the effects of rotation on convective heat transfer in smooth and pin fin ducts of narrow cross-section [D].Rensselaer Polytechnic Institute,1999.

[10]Fu W L，Wright L M，Han J C.Heat transfer in two-pass rotating rectangular channels(AR=1:2 and AR=1:4)with smooth walls [J].Journal of Heat Transfer,2005,127：265-277.

[11]邹江,彭晓峰,颜维谋.壁面粗糙度对通道流动特性的影响[J].化工学报,2008，59（1）：25-31. ZOU Jiang，PENG Xiaofeng，YAN Weimou.The impact of wall roughness on the flow characteristics of the channel [J]. Journalof ChemicalIndustry and Engineering,2008，59（1）：25-31.（in Chinese）

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