基于Leland冷卻器的數(shù)值模擬

(中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院 天津 300300)

射流沖擊換熱是一種有源強(qiáng)化局部傳熱及傳質(zhì)的方法，換熱效率極高，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。射流沖擊需要的換熱空間極小，能夠有效提高部分區(qū)域的換熱系數(shù)，廣泛運(yùn)用于許多工程系統(tǒng)中。

一、Leland冷卻器的數(shù)值模擬及分析

主要是對(duì)美國Leland等做的微射流矩陣沖擊冷卻實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的數(shù)值模擬。主要參數(shù)設(shè)置：進(jìn)氣管道直徑為0.5mm，高度為0.4mm，充氣腔高度是0.4mm，射流孔直徑為0.277mm，高度為0.15mm，射流孔間距和孔徑比Xn/d為4.44，射流孔間距為1.23mm，射流孔斜間距為1.74。沖擊高和孔徑Zn/d比為0.96，沖擊高度為0.266mm。整體外部水平面積是22.2mm×22.2mm，內(nèi)腔水平面積是18.2mm×18.2mm，沖擊換熱面上加工有等寬等高的溝槽0.05mm×0.05mm。

數(shù)值模擬主要是對(duì)流體和射流沖擊換熱面的冷卻問題進(jìn)行研究，因此只需考慮流體和換熱面部分的換熱情況，并且為了減少計(jì)算時(shí)間選擇截取四分之一模型如圖1來進(jìn)行研究。圖1是MJA模型流體與固體區(qū)域圖，藍(lán)色部分為固體區(qū)域，黃色部分為流體區(qū)域。

圖1 MJA四分之一模型

二、計(jì)算結(jié)果與處理分析

對(duì)射流沖擊冷卻面的研究，衡量其換熱效果的標(biāo)準(zhǔn)就是熱壁的溫度分布及大小和熱壁面的換熱系數(shù)。去除模型中的熱壁的溫度和換熱系數(shù)進(jìn)行分析。

圖2 熱壁面溫度分布

圖2是沖擊換熱表面四分之一圖，從圖中我們能夠知道，從進(jìn)口開始，溫度想外擴(kuò)散，在射流孔中心處的溫度明顯低于射流孔附近區(qū)域，但是越離中心區(qū)域和出口附近越遠(yuǎn)溫度越高，這說明這些地方的換熱不好。在進(jìn)氣口往下區(qū)域換熱效果最好，因?yàn)槿肟诙螣徇吔鐚雍穸缺?，局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大，這部分不斷有氣體流入，且氣體流動(dòng)好，在流動(dòng)過程中帶走了進(jìn)氣管口下的溫度，使其換熱效果最好。而在出口位置附近，水平流動(dòng)呈蝌蚪狀，并且每個(gè)射流孔下方溫度都很低，因此可以說明射流孔的存在確實(shí)提高了換熱效率，正是符合了單射流的明顯特征便是，換熱主要集中在駐點(diǎn)區(qū)而不是壁面流動(dòng)區(qū)。

圖3 兩對(duì)稱面及熱壁面的溫度分布

由圖3可以看出，多數(shù)射流孔下方溫度都比周圍微小區(qū)域溫度低，說明射流孔下方的邊界層薄，溫度低換熱效果好。兩射流孔中間的溫度較高，換熱比較差。在靠近進(jìn)口下方和出口的位置溫度低，換熱效果好。

三、小結(jié)

首先對(duì)美國Leland所做的微射流矩陣?yán)鋮s器裝置做了簡(jiǎn)單的介紹，并對(duì)Leland所做的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，進(jìn)行了詳細(xì)的分析，得出在靠近進(jìn)口下方和出口的位置溫度低，換熱效果好的結(jié)論。

【參考文獻(xiàn)】

[1]劉明艷.微小通道與射流相結(jié)合的高熱流密度熱沉結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬.清華大學(xué)碩士論文.2010

[2]鄭杰，朱惠人，郭濤，孟通，郭文，蘇云亮.微尺度沖擊冷卻通道換熱特性實(shí)驗(yàn)研究.西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).2015年第36卷

[3]何高讓，汪亮.微射流技術(shù)的原理及其應(yīng)用.西北工業(yè)大學(xué).學(xué)術(shù)報(bào)告.2000