旋流對旋轉受限層板換熱的影響研究論文

　　現代航空發(fā)動(dòng)機對冷卻效果的要求越來(lái)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(lái)越受到廣泛的重視。在旋轉葉片中，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(chǎng)分布和換熱特性將不同于靜比狀態(tài)。國內外學(xué)者己經(jīng)對旋轉狀態(tài)下葉片的換熱進(jìn)行了一定的研究。Mattern等對旋轉沖擊通道進(jìn)行了詳細的研究，研究結果表明，旋轉降低了通道的換熱能力。研究認為哥氏力導致的二次流是導致旋轉影響通道換熱的主要原因。旋轉受限層板（以下簡(jiǎn)稱(chēng)受限層板）能夠有效地抑制旋轉狀態(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)行了數值和試驗研究，研究表明，旋轉導致的離心力和哥氏力以及沖擊雷諾數顯著(zhù)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。在旋轉葉片中，了解離心力對旋流之間的作用規律，有利于指導設計旋轉葉片冷卻結構。本文主要采用數值模擬的方式，揭示出在受限層板中旋流對層板換熱的影響機理，以及在旋轉狀態(tài)下離心力對旋流的影響規律。

　　1計算模型與邊界條件

　　1。1計算模型

　　在受限層板中，冷卻流體通過(guò)沖擊孔到達靶面后，形成壁面射流，壁面射流到達側壁面后，由于受到側壁面的阻擋，對側壁面沖擊，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、靶板和四周側壁組成。具體坐標定義如下：通道垂直于流向的`橫截面方向為二方向，射流孔向出流孔流動(dòng)方向為y方向，板間距方向為二方向。其中通道板間距h=6d，通道寬度ze=lUd，通道長(cháng)度L=20d，d為進(jìn)口孔直徑。

　　1。 2網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格獨立性驗證

　　采用商業(yè)軟件Fluent 6。 3來(lái)模擬受限層板內部流場(chǎng)。網(wǎng)格采用軟件Uambit劃分。大部分網(wǎng)格采用結構化網(wǎng)格，通道壁面附近進(jìn)行網(wǎng)格加密。網(wǎng)格獨立性驗證發(fā)現，當網(wǎng)格數達到60萬(wàn)以后，靶面Nu變化非常小，所以整個(gè)模型網(wǎng)格數目大致為65萬(wàn)。

　　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，對流項采用2階迎風(fēng)進(jìn)行離散，解收斂的判斷依據為相對殘差小于10。

　　1。3湍流模型選取

　　通過(guò)與文獻所做的旋轉單孔沖擊試驗數據對比，合理選取湍流模型。采用標準k二模型（SKE）、增強k二模型（EKE）、標準壁面k —E重整化群模型（SRNU ）、增強壁面k —E重整化群模型（ERNU）、標準壁面方均根模型（SRSM）、增強壁面方均根模型（ERSM）和切應力輸運一二模型（SSTKW）分別驗證。計算過(guò)程中，近壁面的處理方式對計算準確性影響很大，本文在近壁面處理方法分別采用標準壁面函數法和增強型壁面函數法。

　　增強型壁面函數法的計算結果接近試驗值，ERSM最接近試驗值，計算值與試驗值的誤差在10%之內，所以認為在模擬旋轉條件下沖擊出流模型時(shí)，采用增強壁面方均根模型是可靠的，這與徐磊的結論一致。本文采用增強壁面方均根模型。

　　2計算結果與分析

　　通過(guò)流體流過(guò)矩形管道的方式來(lái)模擬無(wú)旋流的狀態(tài)。在這種結構中，流體通過(guò)進(jìn)口流過(guò)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，從面達到無(wú)旋流的狀態(tài)。旋轉狀態(tài)下無(wú)旋流和有旋流的流場(chǎng)速度矢量圖。旋轉狀態(tài)無(wú)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構后，由于沖擊和側壁面的阻擋產(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(wú)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結論

　　本文通過(guò)數值模擬研究旋轉受限層板結構中旋流對受限層板換熱的影響，在本文研究的模型中，得出如下結論：

　　1）在沖擊受限層板中，產(chǎn)生對稱(chēng)的旋流，旋流抑制旋轉導致的哥氏力，有利于受限層板換熱。

　　2）轉速會(huì )顯著(zhù)地影響受限層板內旋流的流動(dòng)，隨著(zhù)轉速的增加，受限層板內旋流會(huì )被逐漸減弱，從面降低受限層板的平均傳熱系數。

　　3）根據轉速，合理設計受限層板的長(cháng)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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