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    高寬比對(duì)旋轉(zhuǎn)微小通道內(nèi)綜合換熱效果的影響

    2020-05-13 09:55:29余毅

    余毅

    摘 ?要:利用數(shù)值模擬的方法,研究了旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下高寬比變化對(duì)微小通道內(nèi)氣體流動(dòng)和換熱特性的影響。結(jié)果表明,相同進(jìn)口雷諾數(shù)下:1)旋轉(zhuǎn)數(shù)一定時(shí),隨著通道高寬比增加,微小通道內(nèi)的綜合換熱效果會(huì)表現(xiàn)出先減弱后增強(qiáng)的變化規(guī)律,且當(dāng)AR=2.5時(shí),存在一個(gè)最小值;2)高寬比AR=10時(shí),微小通道的綜合換熱效果都隨著旋轉(zhuǎn)數(shù)增加不斷減小,而高寬比AR<9時(shí),綜合換熱效果隨旋轉(zhuǎn)數(shù)呈現(xiàn)出相反的規(guī)律。

    關(guān)鍵詞:微小通道;高寬比;綜合換熱

    由于微小尺度可以使邊界層變薄,有利于強(qiáng)化換熱,尤其是湍流區(qū),微小通道成為近十年最受國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的冷卻方式之一。目前,有關(guān)微小通道內(nèi)流動(dòng)換熱研究主要基于靜止?fàn)顟B(tài)下。Park(1992)等[1]系統(tǒng)地研究了各種微槽結(jié)構(gòu)對(duì)傳熱的影響,并給出了在五個(gè)含有湍流激發(fā)裝置的短矩形槽內(nèi)測(cè)得的換熱和摩擦數(shù)據(jù)。John P. Mchale(2010)[2]等對(duì)截面為梯形不同尺寸及角度的微小通道內(nèi)的傳熱特性做了相關(guān)的數(shù)值模擬研究,得到了相關(guān)的關(guān)聯(lián)式子。孫浩峰[3]實(shí)驗(yàn)分析了水力直徑1mm的微小通道組在0~500r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)流動(dòng)換熱的規(guī)律。但現(xiàn)有研究大部分是在實(shí)驗(yàn)室低溫、低馬赫數(shù)、低轉(zhuǎn)速的條件下進(jìn)行,與實(shí)際工作條件有很大差異。

    本文通過數(shù)值模擬方法,對(duì)不同高寬比不同旋轉(zhuǎn)數(shù)下,微小通道內(nèi)流動(dòng)和換熱特性進(jìn)行了分析,為其在渦輪冷卻葉片上的應(yīng)用提供了參考。

    1研究模型及研究方法

    1.1 計(jì)算模型

    為了更好的研究旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下微小通道內(nèi)氣體的換熱特性,同時(shí)考慮到網(wǎng)格數(shù)量和計(jì)算時(shí)間,本文參考某發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪工作葉片尺寸,建立單個(gè)通道計(jì)算模型:通道壁厚0.8mm,長度L=80mm,旋轉(zhuǎn)半徑R=0.192m。并且在進(jìn)出口各設(shè)置了15mm長的發(fā)展段。通道內(nèi)壁高度H和寬度W的參數(shù)范圍在后文研究中將具體給出。

    1.2 計(jì)算方法與邊界條件

    本文采用流體力學(xué)軟件CFX,對(duì)N-S方程使用控制容積法離散,運(yùn)用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,進(jìn)行了多種湍流模型的計(jì)算。結(jié)果表明SST模型在低轉(zhuǎn)速計(jì)算范圍內(nèi)與已有實(shí)驗(yàn)結(jié)果[3]更為接近,且高轉(zhuǎn)速時(shí)能達(dá)到很好的收斂性。

    計(jì)算域邊界條件參考某發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪工作葉片在高空設(shè)計(jì)狀態(tài)的參數(shù)為準(zhǔn),進(jìn)口相對(duì)總壓0.5MPa,相對(duì)總溫800K;出口給定流量;各壁面均取無滑移等熱流條件,且兩側(cè)面熱流密度為前后緣面的一半。

    2數(shù)值模擬結(jié)果與分析

    表1為不同高寬比通道的參數(shù),高寬比AR(AR=H/W)在水力直徑不變(Dh=1.0mm)前提下,從0.2~10內(nèi)變化。

    圖1給出了進(jìn)口雷諾數(shù)(Re=1800)一定時(shí),不同高寬比通道內(nèi)努賽爾數(shù)比變化規(guī)律。不同旋轉(zhuǎn)數(shù)下,隨著高寬比增加,微小通道內(nèi)換熱能力都表現(xiàn)出先遞減后增加的趨勢(shì),并且在高寬比AR=2.5時(shí),努賽爾數(shù)比達(dá)到最小值。同時(shí),除了高寬比AR=10外,其余微小通道內(nèi)的換熱效果都隨著旋轉(zhuǎn)數(shù)的增加而有所增強(qiáng)。

    圖2所示為旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下不同高寬比通道在中截面(L=40Dh)內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)。哥氏力作用下產(chǎn)生的中心冷流體向后緣流動(dòng),并沿著兩側(cè)面流向前緣,最終回到中心的對(duì)渦結(jié)構(gòu)。

    從圖中可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)AR≤1時(shí),隨著AR減小,通道內(nèi)渦流中心逐漸向兩側(cè)面偏移,而當(dāng)AR>1,漩渦中心與后緣面則隨著AR增加不斷增大,這兩種情況都會(huì)削弱哥氏力對(duì)后緣面的換熱作用,同時(shí)也降低了冷流體在此處的溫升,導(dǎo)致通道側(cè)面換熱一定程度被強(qiáng)化。

    旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下,水力直徑相等但高寬比不同通道內(nèi)流阻的變化規(guī)律與靜止層流狀態(tài)相似,見圖3。相同雷諾數(shù)Re時(shí),AR=1的正方形通道內(nèi)流量最低,流動(dòng)產(chǎn)生的角渦損失最小,因而流動(dòng)阻力系數(shù)也最小。隨著AR增大或減小,通道內(nèi)的流量都不斷增加,阻力系數(shù)也隨之增大。另外,對(duì)比模型2和6,模型3和5這兩組通道可以發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)速的增加對(duì)于AR<1截面通道流阻增大的影響要強(qiáng)于AR>1截面。

    如圖4所示,當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí),在換熱和流阻的共同作用下,微小通道的綜合換熱效果在計(jì)算的高寬比變化范圍內(nèi)存在一個(gè)最低點(diǎn),并且最小值會(huì)隨著轉(zhuǎn)速增加而向高寬比增大的方向移動(dòng)。當(dāng)高寬比一定,且AR<9時(shí),通道的綜合換熱效果隨著轉(zhuǎn)速增加而不斷增強(qiáng),而AR>9時(shí),綜合換熱效果隨著轉(zhuǎn)速增加而逐漸減小。

    3結(jié)論

    本文針對(duì)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下,不同高寬比的微小通道內(nèi)氣體的流動(dòng)與換熱進(jìn)行了研究,得到以下結(jié)論:

    1)旋轉(zhuǎn)數(shù)一定時(shí),隨著通道高寬比增加,微小通道內(nèi)的綜合換熱效果會(huì)表現(xiàn)出先減弱后增強(qiáng)的變化規(guī)律,且當(dāng)AR=2.5時(shí),存在一個(gè)最小值。

    2)高寬比AR=10時(shí),微小通道的綜合換熱效果都隨著旋轉(zhuǎn)數(shù)增加不斷減小,而高寬比AR<9時(shí),綜合換熱效果隨旋轉(zhuǎn)數(shù)呈現(xiàn)出相反的規(guī)律。

    參考文獻(xiàn)

    [1] ?Park J S,Han J C,Huang Y and Ous. Heat transfer performance comparison of five different rectangular channels with parallel angled ribs[J]. Int. J. Heat Mass Transfer,vol. 1992,35:2891~2903.

    [2] ?John P. McHale,Suresh V. Garimella *. Heat transfer in trapezoidal microchannels of various aspect ratios[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer 53(2010)365–375.

    [3] ?孫浩峰.微小通道換熱的實(shí)驗(yàn)研究[D].北京航空航天大學(xué).2013.

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