（工程热物理专业论文）网格式内冷通道的强化传热与流动阻力特性实验研究.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 本文对网格式肋化内冷通道在静止状态下的强化传热与流动阻力特性进行了实 验研究。主要研究了在通道进口截面积( 即无肋处的截面积) a 为1 5 2 1 8 7 m m 2 ，肋 高与通道当量直径之比e d e 等于0 2 4 6 实验雷诺数范围在0 4 1 0 4 _ 1 5 1 0 5 之间的 情况下，雷诺数r e 、肋向角n 、肋宽与肋高之比和肋宽与肋间距之比昨等参数 对通道强化传热与流动阻力特性的影响。 ( 实验结果表明网格式内冷通道中随着来流雷诺数r e 的增加，通道换热效果 增强。粗糙肋的宽度与肋间距之比t p ，肋宽与肋高之比t e 对通道换热均有一定 影响。 在实验选取的讹的三个值0 2 5 ，0 3 和0 5 中，在肋向角为4 5 。4 5 。的通道中，t e = 0 3 对换热最为有利，但是相应的流动阻力也是最大。讹= o 3 与0 5 的综合效果更好一些。 而在肋向角为4 5 * 6 0 * 通道中，当雷诺数较小时，t e = 0 3 与o 5 的综合效果好于 t e = 0 2 5 ，而在较大雷诺数下，则是t e = 0 2 5 的综合效果较好 在实验研究的t ，p 三个值o 2 5 ，o 3 3 ，0 5 中，无论是在肋向角为4 5 。4 5 。，还是 4 5 。6 0 0 的通道中都是t p = 0 5 的换热效果最好，但是流动阻力也是最大。用综合 肋效率来衡量，在肋向角为4 5 0 4 5 0 的通道中，t p = 0 3 3 较好，在4 5 。6 0 0 的通道中 则是t p = 0 5 明显占优。 实验发现肋向角为4 5 。4 5 。的通道的传热效果明显好于4 5 。6 0 。的通道，而流动阻 力却只有后者的一半。土 本文得到了大量的针对新型涡轮叶片网格式内冷通道的有关强化传热与流动阻 力特性的实验数据，对现代航空发动机涡轮叶片内冷通道的强化冷却研究具有一定的 参考价值。 关键词：网格式扰流肋；强化换热；流动阻力；内冷通道 网格式内冷通道强化传热与流动阻力特性研究 4 b s 删c t a ne x p e d m e n t e d i n v e s t i g a t i o n o nt h ef l o wa n dh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c si n r e c t a n g u l a rc h a n n e lw i t l li n t e m a ln e r e d r i bt u r b u l a t o r si sc o n d u c e d t h ee x p e r i m e n t a lm o d e li sar e c t a n g u l a rs e c t i o no f1 5 2x1 8 7 m m 2 w h i c hi s c o m p o s e do f t w oa l u m i n u mp l a t e s t h ea n m e sb e t w e e nt h ei n t e r n a ln e a e dr i bt u r b u l a t o t s a n dt h ef l o wd i r e c t i o na r e4 5 0f o rt h eo n ep l a t ea n d6 0 * f o rt h eo t h e r o rb o t l l4 5 。f o rt w o p l a t e s i n t h e e x p e r i m e n t , t h er en u m b e r sc h a n g e sf r o m 0 4x1 0 l 1 5 l 矿曲 w i d t h t o p i t c h a r e0 2 5 ，0 3a n d0 5 ，r i b w i d t h - t o h e i g h t a r e0 2 5 ，0 3a n d0 5 ，t h er i b h e i g h t t o - h v d r a u l i cd i a m e t e rr a t i oi s0 2 4 6 t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h eg r i d d i n gr i bh a ss i g n i f i c a n te f f e c t so nh e a t t r a n s f e re n h a n c e m e n t n l en u s e l t sn u m b e ri n c r e a s e sa sr ei n c r e a s e s n l ec h a n n e lo f t p = o 5 s h o w st h eb e s th e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c s a n dt e = 0 3 g i v e st h et h eb e s th e a t t r a i l s f e rc h a r a c t e r i s t i c s e s p e c i a l l y , t h e4 5 。，4 5 。c h a n n e lc o u l do b t a i nm o r eo b v i o u sh e a tt r a n s f e r e n h a n c e m e n tt h a n4 5 。6 0 。c h a n n e l t h eg r i d d i n gr i bc a u s e sal a r g ee n h a n c e m e n ti nf l o wf r i c t i o n t h ec h a n n e lo ft e - - o 3 c a u s e st h el a r g e s tf r i c t i o ni n4 5 * 4 5 。c h a n n e l i nd i f f e r e n tv pv a l u e s ，t ，p = 0 5g i v e st h e l a r g e s tf r i c t i o ni nb o t h4 5 t 4 5 。a n d 4 5 0 6 0 0c h a n n e l s 1 1 l ev a l u eo ft i l e c r i t e d o n 【州n u ( f d ) 】m 删】i s u s e dt oc o n s i d e rt h e c o m p r e h e n s i v ee f f i c i e n c y t h ev a l u ef o rp r e s e n ts t u d yr a n g ef r o m0 2 t o0 4 c o m p a r i n g t h e4 5 。，4 5 。a n d4 5 。，6 0 。c h a n n e l w ef i n dt h a tt h ec o m p r e h e n s i v ee f f i c i a n c yo ft h ef o r n l e ri s s i g n i f i c a n t l ys u p e r i o rt ot h el a r e li nc h o s e nt ev a l u e s t e = 0 3a n d 0 5h a st h eb e t i e re f f e c ti n4 5 * 4 5 。 c h a n n e l a n di n4 5 * 6 0 。c h a n n e lt ，p = 0 3a n d0 5a r et h eb e h e ri nl o wr en u m b e r , a n d “p 卸2 5j st h e b e r e ro l q ei nh i g hr en u m b e r 1 a r g ea m o u n to fe x p e r i m e n t a ld a t ai so b t a i n e di nt h ep r e s e n ts t u d yo nf l o wa n d h e a t t r a n s f e ri n s i d eag r i d d i n gr i bt u r b u l a t o rc o o l i n gc h a n n e l ，w h i c hc o u l db eh e l p f u lf o rt h e d e s i g n o fan e w t y p et u r b i n ec o o l i n gc h a n n e l 4 5 。，4 5 0c h a n n e l v p = 0 5f o r4 5 0 6 0 。c h a n n e ls e e mb e t t e rt h a no t h e rc a s e s a l a r g ea m o u n to fe x p e r i m e n t a ld a t ai so b t a i n e d i n 也e p r e s e n ts t u d y o nf l o wa n dh e a t t r a n s f e ri n s i d eag r i d d i n gr i bt u r b u l a t o rc o o l i n gc h a n n e l ，w h i c hc o u l db eh e l p f u lf o rt h e d e s i g no f a n e w t y p e t u r b i n e c o o l i n g c h a n n e l k e yw o r d s ：g r i d d i n g r i bt u r b u l a t o r ；h e a tt r a n s f e r ；f l o wf r i c t i o n ；c o o l i n gc h a n n e l l i 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 在现代高性能燃气涡轮发动机中，提高涡轮进口温度是增加推重比降低油耗率 的有效措施。但是随着涡轮进口处燃气温度的提高涡轮叶片的热负荷将不断增大。 现代燃气涡轮发动机的涡轮进口处温度可达1 9 0 0 k ，已超出了现有金属材料的允许使 用温度，所以只有对涡轮叶片进行有效的冷却，使工作状态下涡轮叶片温度降低，才 能使其正常安全地工作，并满足一定的寿命要求。 在现代燃气涡轮发动机中，很多有效的冷却方式都已经得到了应用。一个典型的 涡轮叶片冷却结构有气膜冷却、冲击冷却以及通道内部强迫对流冷却等。为了达到增 强换热的目的，涡轮叶片内部冷却通道也有不同的形式，有的是直通道有的是蛇形 通道，还有加扰流柱或粗糙肋的通道。 由于加粗糙肋后，通道内流体的流动产生大量二次流与涡，即使在不旋转的情况 下，也造成了极复杂的换热与流动情况，已有的研究表明带肋内冷通道的确在很大程 度上提高了通道的换热效果，但是同时压力损失也有很大增加。从所检索到的文献可 以看出，影响带肋通道的强化换热与流动阻力特性的几何因素主要有肋高e ，肋间距 p ，肋宽t ，通道高度h ，通道当量直径d e ( 各参数的具体含义参见图1 1 ) 以及它们 的比值p d 。，p 居，r p e t 等无量纲参数。 _ 1 一一 = 臼 。 。、= 图1 1 带肋内冷通道示意图 对于肋化通道的传热与压力损失特性，国内外已经有许多人从不同角度进行了大 量的研究工作，其中包括静止与旋转两种不同的状态，得到了大量实验数据。一般的 矩形( 或接近矩形的通道多在两个相对的表面设置肋。肋的高度e 一般为通道两相 对壁面的距离h 的十分之一左右。肋间距一般为通道当量直径d e 值的一倍) 从已 有的实验数据可以看出，随着阻塞比叫见的比值的增加，通道的强化换热效果也随 之增大。根据肋与流动方向的夹角可把肋分为与流动方向成9 0 。的“垂直肋”和与 l 网格式内冷通道柱化传热与流动阻力特性研究 流动方向成某一锐角的“斜肋”。目前在国外某型发动机上出现了一种网格式内冷通 道的叶片结构，所谓的网格式通道就是如图1 。2 所示的结构当两壁面的斜肋肋高增 大至e 0 5 h 时，通道两壁面上的肋相互交错形成网格，网格式通道由此得名。进入 通道的流体在肋问的空隙中上下穿流对上下底板和肋进行冲击。进入通道的流体在 肋间的空隙中无法直线流动，而只能上下曲折流动。可以预见这种网格式通道将太大 提高通道的换热效果，但同时压力损失也会大幅度增大。 图1 2 网格式通道结构 这种网格式内冷通道是一种新型的涡轮叶片冷却方式。迄今为止尚未有有关的研 究成果公开发表。本课题得到航空科学基金与中国航空工业总公司第一集团6 0 6 研究 所的资助。对静止状态下的网格式通道的换热与压力损失特性进行了初步的实验研 究。 1 2 国内外研究状况 对于涡轮叶片的内冷通道的研究，由于其重大的理论价值与实际应用价值，在 国内外都受到了极大的重视。国外对于此方面研究着手较早各国学者对矩形通道中 的换热与流动进行了大量卓有成效的研究，大量文章在2 0 世纪8 0 9 0 年代发表，而 国内也在此期间大力开展了这一方面的研究工作。 五十年代，b a r u a 等人【l 】就开始对静止与旋转状态下，管流中的流场、压力场、 温度场进行了理论分析。到了六十年代中期，随着先进实验设备的出现及计算机技术 的广泛应用，实验和数值计算两种方法在管内对流换热研究领域取得了较大的进展。 理论研究的方法主要是模化法和数值计算法。前者根据换热特性，建立一定的模 型：后者则立足于用计算机求解三维的流动方程和能量方程。数值计算在全面、准确 地了解各种因素对流场、压力场、温度场所产生的影响方面有它自身的许多优点，但 是在目前的计算机硬件及紊流模拟技术的发展状态下，对复杂的对流换热问题( 如含 有流动分离及层流向紊流的转捩等) ，数值计算还不能得出准确可靠的结果 2 】。 相 比较而言，通过实验获得的数据则更具有可信度，这些实验数据一方面可作为设计的 南京航空航天大学硕士学位论文 参数依据，另一方面，可以作为检验数值计算结果的标准。 从六十年代中期y m o r i 等人【3 】以实验手段研究管流的换热问题开始，己经有很 多人对不同的冷却通道问胚进行了许多实验研究。实验研究中所采用的典型壁面热条 件有等热流与等壁温两种有时也采用非均匀加热壁面。研究的初期模型结构比较简 单，研究初期模型的几何结构比较简单，如1 9 7 9 年，m o r r i s 和a y h a n 4 在等热流情 况下对圆管内的传热进行了实验研究，后来又不断有人研究了截面形状为三角形【5 】、 矩形与正方形的通道的传热特性。实验过程中最初的通道是光滑的后来为了强化 换热，在通道壁上加粗糙肋。而且，渐渐开展了关于肋的形状以及其几何形状参数对 传热与流动的影响的研究。 j c h a n 等人在二十世纪七十年代就开始研究肋化内冷通道的传热与压降特性 他们的实验多数是在矩形截面通道上进行的。 在雷诺数3 0 0 0 r e 2 0 0 0 0 的范围内研究得到了肋的几何形状，肋向角o ，以及肋 间距与肋高之比p ，e 对通道强化换热与流动阻力特性的影响，并且通过壁面相似准则 与动量方程的分析，得到了流动阻力系数厂与斯坦顿数和肋的形状、肋间距以及肋向 角的关联式，实验比较得出当流动阻力一定时，肋向角为4 5 。的情况下传热比肋向 角为9 0 。时效果好h i 。 随着研究的深入，j c h a r t 等人研究了7 0 0 0 r e 型布置 型布置 a 型布置 至于流动阻力的变化趋势则恰恰相反。这说明不同布置形式的肋对流体流动的影 响是不同的。 肋的几何外型也会对通道的强化换热与流动特性带来影响，t o n g m i i ul i o u 与 j e r m - j i a n g h w a n g 比较了三角型截面、半圆型截面、矩形截面三种肋的传热与流动阻 力特性。在实验条件下，与光滑通道相比传热效果得到强化的同时也增大了流动阻力 【1 3 】：矩形截面肋的传热努塞尔数n u 提高到1 9 - 2 7 倍三角形截面肋提高到1 7 2 2 倍。半圆型截面肋提高的最少，为1 6 也1 倍；平均流动阻力系数厂的增加幅度依次 为7 1 5 倍5 1 0 倍，轧8 倍。 m 1 i o u 等人 1 4 1 对p i e ，吖见的影响作了研究在5 0 0 0 其中平均热流口= q 2 a ( 加热量q = u i ( u 为模型两个加热电极之间的电压值， i 为由硅整流器获得的加热电流值，用检流计测量获得) ，a 为单片加热膜表面积。 在式( 3 5 ) 中t 0 与l 分别为所测截面上的壁面温度与该截面处冷却气流的局 部平均温度，以它们作为定性温度查取有关物理参数的数值。壁面温度t 。由热电偶 测得。各流体截面的气流平均温度一则是假定通道内气流温度为线性变化，通过测 得的气流进、出口温度瓦与乙求出。 当热平衡时，如果忽略热损失，可以近似地认为加热膜所产生的热量全部传入冷 却通道被冷却气流带走，并提高了气体的温度。如图4 1 所示，设流体流过微元段表 面积d s ，温度升高d t ，根据能量平衡原理，有 m c 。打= q 嬲 其中，c p 为空气的比热，i n 为气体质量流量，设n 是通道轴向计算点处的冷却 气流温度，a s 是从气流入口到该位置处的模型外表面面积( 即不包括因为加肋而增 加的那部分表面积1 。 r 1 图4 1 通道能量平衡示意图 从气流进口到计算点处积分： r ，s m c p p = q - 沁 k o 可以得到： ( 3 - 6 ) 2 1 网格式内冷通道强化传热与流动阻力特性研究 。= 矗+ 筹 ( 3 - 7 ) 实验中，模型获得加热量： q = c 。m - 亿。一l ) ( 3 - 8 ) 蚯= 2 x w ( 3 9 ) 式中x 为通道轴向距离。因为通道宽度w 恒定，所以将式( 3 - 9 ) ，( 3 8 ) 代入 式( 3 - 7 ) ，可以得到各点冷却气流随轴向距离x 变化的表达式： 巧= l + 氅掣 ( 3 _ 1 0 ) 实验的局部努塞尔数n u 的定义为： 肌：华( 3 - 1 1 ) 式中d e 为通道进口处的当量瓿见= 器 由于实验中合成通道由上下两块实验模型板相合而得，为了比较上下两块实验模 型板的区别，本实验独立计算出两板的各点的局部努塞尔数n u ( 上板) 与n u 2 ( 下 板) 。作出它们在同一雷诺数r e 条件下随通道轴向距离与通道当量直径的比值驯饥 的变化趋势图。 但是在考虑某个通道的换热效果时，还是要看其整体的换热效果，所以实验定义 通道平均努塞尔数为而，通道平均气流温度l ， 丁一 因为：而：生兰( 3 - 1 2 ) 对于上板 对于下板 面= 华 瓦= 半 ( 3 - 1 3 ) ( 3 1 4 ) 将式( 3 - - 5 ) 分别代入式( 3 - - u ) ，( 3 - - 1 2 ) 与( 3 1 3 ) e e 。可以得到 而：业掣( 3 - 1 5 ) 南京航空航天大学硕士学位论文 对于上板： 对于下板： 一n u , ：型! 圣! 三互! ：堡 n u 2 ：盟宰上竺 ( 3 1 6 ) ( 3 - 1 7 ) 而通道平均壁温 o ：玉鱼( 3 - 1 8 ) 所以可以得到 一n u ：n u l5 - - n u 2 ( 3 - 1 9 ) 因为整个通道的平均努塞尔数而等于上下两块模型板平均努塞尔数的算术平均 值，如此可以得到不同雷诺数时，不同模型通道整体换热效果的变化情况。 如前文所述：本实验的目的不仅在于获得网格式肋化通道的具体传热数值，而且 要将其与相同雷诺数条件下的光滑通道的相关数据进行比较。数据处理中，为了与相 关文献的数据处理形式一致，故采用m c a d a m s 提出的光滑圆管完全紊流状态下的经 验公式【1 0 1 4 】： 肌怖) = 0 0 2 3 x r e o 8 x p r n 4 ( 3 - - 2 0 ) 作为实验所需矩形光滑通道的结果。 式( 3 2 0 ) 经过用k l i n e 和m c c l i n t o e k ( 19 5 3 ) 提出的不确定评价方法评价得到， 在雷诺数r e 1 0 4 时，其偏差范围在8 以内。 至此可以得到网格式肋化通道的换热强化比： 志n u = 0 0 2 3 辔r e 杀p r c ，钏 ff d ) - u 、。 3 3 2 流动阻力系数的处理 网格式肋化通道在使换热效果得到强化的同时，必然会带来流动损失的变化，所 以实验也进行了有关流动损失的研究。 由达西公式表示的圆管通道平均流动阻力系数： 7 ：拿尝 ( 3 2 2 ) l p “ 对于矩形通道而言，式( 3 2 2 ) 中的圆管直径d 等于实验段进口处的当量直径d 。 所以得到矩形通道平均流动阻力系数： 7 ：掣( 3 - 2 3 ) 网格式内冷通道强化传热与流动阻力特性研究 来计算光滑管的流动阻力。式( 3 2 4 ) 是b l a s i u s 在光滑圆管1 0 4 r e 1 0 6 完全紊流条 件下得到的。 本实验中需要得到网格式通道与光滑通道完全紊流状态下相比较流动阻力特性 的变化情况，因此引入阻力增大比： 上：垃里型丝昙盟 ( 3 2 5 ) f d ， o 0 4 6 r e “2 3 3 3 强化传热与流动阻力增大的综合比较 对于各种冷却通道，在采用粗糙肋使换热得到加强的同时必然以牺牲压头为代 价，加大通道的流动阻力。即在换热强化比矾肋) 增大的同时，阻力增大比- 矗肪) 也相应变大了。 为了综合比较换热强化比五i m ( f d ) 增大，与阻力增大比_ 以f d ) 增大带来的综合 效果，实验引入了粗糙面效率r l ： | n 。t f d 、 栌薷 ( 3 2 6 ) 南京航空航天大学硕士学位论文 第四章实验结果与分析 影响网格式肋化通道的因素很多，这些因素主要有两类：一类是与流动有关的无 量纲参数，包括雷诺数r e ，普朗特数p r 努塞尔数n u ，本实验采用空气为工作流体， 普朗特数p r 可以作为常数处理，在实验数据处理过程不作考虑。另一类是模型的结 构参数，包括通道的肋宽与肋间距之比p ，肋宽与肋高之比f 知，肋间距与肋高之比 p e ，通道的轴向位置x d 。以及肋向角a 等。由前文3 1 节中分析可以得到在网格式 肋化通道中，无因次量t ，t p 对通道的强化传热与流动阻力特性会产生很大的影响。 所以试验对不同t e 、t p 的通道进行了比较研究。下面分别加以阐述。 4 1 无量纲参数以对通道强化传热与流动阻力特性的影响 4 1 1 无量纲参数咖对通道平均努塞尔数n u 的影响 图4 1 为4 5o ，4 5 0 的通道( 两块模型板肋向角均为4 5 0 ) 中，模型2 ( t e = 0 3 ) ， 模型4 ( t e = 0 5 ) 和模型5 ( t e = 0 2 5 ) 在不同雷诺数下得到的通道平均努塞尔数n u 的变化曲线。可见在本文研究的雷诺数范围内，随着雷诺数的增加，模型2 ( t e = 0 3 ) 的n u 数从1 1 0 0 上升至2 2 0 0 ，模型4 ( t e = 0 5 ) 从1 0 0 0 上升到2 0 0 0 ，模型5 ( t e = 0 2 5 ) 的上升幅度较小从1 0 0 0 升到1 6 0 0 。相比较而言，当肋宽与肋高之比t e 为0 3 时， 网格式肋化通道对传热增强的效果更为明显。 2 2 2 j 1 2 0 0 0 30 4o 5o 60 7 0 1 ji 112i j1 41 51 6 r e i e - 5 ) 图4 1 不同班的通道努塞尔数n u 的比较( 4 5 。4 5 。) 网格式内冷通道强化传热与流动阻力特性研究 图4 2 为4 5 。6 0 。的通道( 两模型板肋向角分别为4 5 0 与6 0 。) 中，上述三个模 型在不同雷诺数下得到的通道平均n u 变化曲线。同样，随着r e 增加，各个模型的 平均努塞尔数n u 呈上升趋势，但与4 5 0 4 5 0 通道相比，各个模型的上升趋势略有下降， 特别是t e = 0 3 的模型2 下降幅度很明显。在此种组合中，t e = 0 5 时传热增强的效 果似乎更好一些。 图4 - - 2 不同t e 的通道努塞尔数n u 的比较( 4 5 4 6 0 。) 4 1 2 无量纲参数咖对通道换热强化比驯m ) 的影响 图4 3 不同t , 时通道强化换热比i 叫肌( 阳) 的比较( 4 5 。4 5 。) 图4 3 与图4 4 反映了不同肋宽与肋高之比如时通道换热强化比v h ) 随 雷诺数r e 的变化情况。可见：随着雷诺数的增加，肋化通道相对于光滑通道的传热 强化效果是呈单调下降趋势。对于肋向角为4 5 。4 5 。的通道，当t ，e = o 2 5 时，抉热强 南京航空航天大学硕士学位论文 化比从8 5 下降到6 5