弯折肋化通道流动传热的数值和实验研究

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国内外针对单排肋化通道和回转通道换热特性进行了大量的实验与数值研究,揭示了通道形状,肋排布等因素对换热特性,压力损失的影响规律。为了研究弯折肋化通道的流动和换热特性,以某型航空发动机涡轮叶片为基础,对其内冷通道进行简化,得出本研究所用基础模型,通过改变通道的进口雷诺数,流量分配,以及肋的排布,来研究弯折通道的流动与强化换热特性变化。通过对五个实验模型,每个模型五种不同进口雷诺数进行实验获得了每个模型各种工况下沿程各节点的静压、壁温、气流温度,研究表明,气流经过几个肋的扰流后,对流换热系数才能达到最大。在雷诺数为3800~22900时,出口1的出流越少,其下游的换热效果越好。根据实验数据拟合得到了沿通道的努塞尔数与进口雷诺数的准则关系式及压力损失系数与进口雷诺数的准则关系式。通过数值模拟,进一步分析弯折肋化通道的流场,温度场及换热分布。在通道内部30度到90度范围内选取五组不同的肋角度进行数值计算,得到每个模型壁面的温度,压力损失系数,对流换热系数,努塞尔数分布,研究表明在相同的边界条件下,肋角度越小,压力损失系数增大越慢,流动损失越小。在斜肋中,肋片沿来流侧与侧壁成钝角一侧的对流换热系数高于成锐角一侧的对流换热系数,且随着肋角度的减小两侧的差别越来越大在最右侧通道中由于右侧出流孔的存在使得通道右侧的对流换热系数明显高于左侧。30°~70°肋均具有较好的对流换热效果。综合考虑以上因素,虽然肋角度越小,流动损失越小,但是通道两侧换热不均的情况随肋角度的减小而愈发严重,因此不宜采用肋角度过小的方案。在s/h=3到s/h=14的范围内,选取8种不同的节距s,进行数值计算,得到每个模型壁面的温度、压力损失系数、对流换热系数、努塞尔数分布,研究表明若s/h过小(s/h5),由于肋间距太小,肋间的旋涡结构紧凑稳定,主流与壁面无再接触点,旋涡与主流只有靠扩散进行动量和能量交换。相反,在过大的s/h下。主流在脱离区后没有及时得到新的扰动而使热边界层重新建立起来并逐步增厚。当s/h在大于5到小于10的范围内变动时,压力损失呈现先增大后减小的趋势。最佳的s/h值应在7-10之间。在这个区间内,肋后分离区的旋涡是松散的,在与主流的作用中呈现周期脱落与主流掺混的现象。这将显著提高壁面与流体之间的能量传递。分离区后主流与壁面重新接触,然后冲击到下一个肋,这将明显提高分离区后的换热效果。
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