旋流對旋轉(zhuǎn)受限層板換熱的影響研究論文
現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)對冷卻效果的要求越來越高。層板冷卻方式集沖擊冷卻、對流冷卻、氣膜冷卻為一體，越來越受到廣泛的重視。在旋轉(zhuǎn)葉片中，流體由于受到離心力、哥氏力及其衍生的浮升力的作用，其流場分布和換熱特性將不同于靜比狀態(tài)。國內(nèi)外學(xué)者己經(jīng)對旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下葉片的換熱進(jìn)行了一定的研究。Mattern等對旋轉(zhuǎn)沖擊通道進(jìn)行了詳細(xì)的研究，研究結(jié)果表明，旋轉(zhuǎn)降低了通道的換熱能力。研究認(rèn)為哥氏力導(dǎo)致的二次流是導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)影響通道換熱的主要原因。旋轉(zhuǎn)受限層板（以下簡稱受限層板）能夠有效地抑制旋轉(zhuǎn)狀態(tài)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(jìn)行了數(shù)值和試驗(yàn)研究，研究表明，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的離心力和哥氏力以及沖擊雷諾數(shù)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(guān)注離心力、哥氏力以及受限隔板的導(dǎo)熱對層板換熱能力的影響，對在受限層板中由于沖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(zhuǎn)葉片中，了解離心力對旋流之間的作用規(guī)律，有利于指導(dǎo)設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)葉片冷卻結(jié)構(gòu)。本文主要采用數(shù)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(jī)理，以及在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下離心力對旋流的影響規(guī)律。
1計(jì)算模型與邊界條件
1。1計(jì)算模型
在受限層板中，冷卻流體通過沖擊孔到達(dá)靶面后，形成壁面射流，壁面射流到達(dá)側(cè)壁面后，由于受到側(cè)壁面的阻擋，對側(cè)壁面沖擊，形成沖擊旋渦，在壓力梯度的作用下，流體向下游流動(dòng)，所以形成了旋流。
通道由沖擊孔、出流孔、沖擊板、靶板和四周側(cè)壁組成。具體坐標(biāo)定義如下：通道垂直于流向的`橫截面方向?yàn)槎较�，射流孔向出流孔流�?dòng)方向?yàn)閥方向，板間距方向?yàn)槎较�。其中通道板間距h=6d，通道寬度ze=lUd，通道長度L=20d，d為進(jìn)口孔直徑。
1。 2網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證
采用商業(yè)軟件Fluent 6。 3來模擬受限層板內(nèi)部流場。網(wǎng)格采用軟件Uambit劃分。大部分網(wǎng)格采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，通道壁面附近進(jìn)行網(wǎng)格加密。網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)達(dá)到60萬以后，靶面Nu變化非常小，所以整個(gè)模型網(wǎng)格數(shù)目大致為65萬。
本文三維雷諾平均控制方程采用控制容積法進(jìn)行離散，分離式求解，壓力、速度藕合采用SIM—PI，E算法，對流項(xiàng)采用2階迎風(fēng)進(jìn)行離散，解收斂的判斷依據(jù)為相對殘差小于10。
1。3湍流模型選取
通過與文獻(xiàn)所做的旋轉(zhuǎn)單孔沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，合理選取湍流模型。采用標(biāo)準(zhǔn)k二模型（SKE）、增強(qiáng)k二模型（EKE）、標(biāo)準(zhǔn)壁面k —E重整化群模型（SRNU ）、增強(qiáng)壁面k —E重整化群模型（ERNU）、標(biāo)準(zhǔn)壁面方均根模型（SRSM）、增強(qiáng)壁面方均根模型（ERSM）和切應(yīng)力輸運(yùn)一二模型（SSTKW）分別驗(yàn)證。計(jì)算過程中，近壁面的處理方式對計(jì)算準(zhǔn)確性影響很大，本文在近壁面處理方法分別采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法和增強(qiáng)型壁面函數(shù)法。
增強(qiáng)型壁面函數(shù)法的計(jì)算結(jié)果接近試驗(yàn)值，ERSM最接近試驗(yàn)值，計(jì)算值與試驗(yàn)值的誤差在10%之內(nèi)，所以認(rèn)為在模擬旋轉(zhuǎn)條件下沖擊出流模型時(shí)，采用增強(qiáng)壁面方均根模型是可靠的，這與徐磊的結(jié)論一致。本文采用增強(qiáng)壁面方均根模型。
2計(jì)算結(jié)果與分析
通過流體流過矩形管道的方式來模擬無旋流的狀態(tài)。在這種結(jié)構(gòu)中，流體通過進(jìn)口流過通道，面不是采用沖擊靶面的形式進(jìn)入通道，這樣可以避免由于沖擊的作用產(chǎn)生旋流，從面達(dá)到無旋流的狀態(tài)。旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下無旋流和有旋流的流場速度矢量圖。旋轉(zhuǎn)狀態(tài)無旋流時(shí)，通道中流體受到哥氏力的作用，流體產(chǎn)生背離加熱面的二次流。采用沖擊射流加出流孔的結(jié)構(gòu)后，由于沖擊和側(cè)壁面的阻擋產(chǎn)生旋流。在旋流的作用下，流體在通道中產(chǎn)生由沖擊面指向靶面的二次流，該二次流與哥氏力產(chǎn)生的二次流作用方向相反，抑制哥氏力產(chǎn)生的二次流。相對于無旋流的通道，由于旋流產(chǎn)生的二次流對靶面有沖擊的作用，所以有利于受限層板的換熱。
3結(jié)論
本文通過數(shù)值模擬研究旋轉(zhuǎn)受限層板結(jié)構(gòu)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(jié)論：
1）在沖擊受限層板中，產(chǎn)生對稱的旋流，旋流抑制旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的哥氏力，有利于受限層板換熱。
2）轉(zhuǎn)速會(huì)顯著地影響受限層板內(nèi)旋流的流動(dòng)，隨著轉(zhuǎn)速的增加，受限層板內(nèi)旋流會(huì)被逐漸減弱，從面降低受限層板的平均傳熱系數(shù)。
3）根據(jù)轉(zhuǎn)速，合理設(shè)計(jì)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。
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