旋流對(duì)旋轉(zhuǎn)受限層板換熱的影響分析

1、旋流對(duì)旋轉(zhuǎn)受限層板換熱的影響分析現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)冷卻效果的要求越來(lái)越高.層板冷卻方式集沖擊冷卻、對(duì)流冷卻、氣膜冷卻為一體，越來(lái)越受到廣泛的重視.在旋轉(zhuǎn)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(guó)內(nèi)外學(xué)者己經(jīng)對(duì)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下葉片的換熱進(jìn)展了一定的研究.Mattern等、Parson等、吳宏等、袁鋒等， Akella等對(duì)旋轉(zhuǎn)沖擊通道進(jìn)展了詳細(xì)的研究，研究結(jié)果說(shuō)明，旋轉(zhuǎn)降低了通道的換熱才能.Chen等研究認(rèn)為哥氏力導(dǎo)致的二次流是導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)影響通道換熱的主要原因.旋轉(zhuǎn)受限層板(以下簡(jiǎn)稱受限層板)可以有效地抑制旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下離心力、哥氏力及其衍生的浮升力對(duì)層板

2、換熱才能的影張鏡洋等對(duì)受限層板進(jìn)展了數(shù)值和試驗(yàn)研究，研究說(shuō)明，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的離心力和哥氏力以及沖擊雷諾數(shù)顯著地影響受限層板的換熱才能.以往對(duì)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(dǎo)熱對(duì)層板換熱才能的影響，對(duì)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(zhuǎn)葉片中，理解離心力對(duì)旋流之間的作用規(guī)律，有利于指導(dǎo)設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)葉片冷卻構(gòu)造.本文主要采用數(shù)值模擬的方式，提醒出在受限層板中旋流對(duì)層板換熱的影響機(jī)理，以及在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下離心力對(duì)旋流的影響規(guī)律.1計(jì)算模型與邊界條件1.1計(jì)算模型在受限層板中，冷卻流體通過(guò)沖擊孔到達(dá)靶而后，形成壁而射流，壁而射流到達(dá)側(cè)壁而

3、后，由于受到側(cè)壁而的阻擋，對(duì)側(cè)壁而沖擊，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.受限層板中旋流，通道由沖擊孔、出流孔、沖擊板、靶板和四周側(cè)壁組成.詳細(xì)坐標(biāo)定義如下:通道垂直于流向的橫截而方向?yàn)槎较?，射流孔向出流孔流?dòng)方向?yàn)閥方向，板間距方向?yàn)槎较?其中通道板間距h=6d，通道寬度w=10d，通道長(zhǎng)度L=20d,d為進(jìn)口孔直徑.1. 2網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證采用商業(yè)軟件Fluent 6. 3來(lái)模擬受限層板內(nèi)部流場(chǎng).網(wǎng)格采用軟件Gambit劃分.大部分網(wǎng)格采用構(gòu)造化網(wǎng)格，通道壁而附近進(jìn)展網(wǎng)格加密.網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)到達(dá)60萬(wàn)以后，靶而Nu變化非常小，所以整

4、個(gè)模型網(wǎng)格數(shù)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)展離散，別離式求解，壓力、速度耦合采用SIM-PLE算法，對(duì)流項(xiàng)采用2階迎風(fēng)進(jìn)展離散，解收斂的判斷根據(jù)為相對(duì)殘差小于10.1.3湍流模型選取通過(guò)與文獻(xiàn)所做的旋轉(zhuǎn)單孔沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)比照，合理選取湍流模型.采用標(biāo)準(zhǔn)k模型(SKE)、增強(qiáng)k模型(EKE)、標(biāo)準(zhǔn)壁而k重整化群模型(SRNU )、增強(qiáng)壁而k重整化群模型(ERNU)、標(biāo)準(zhǔn)壁而方均根模型(SRSM)、增強(qiáng)壁而方均根模型(ERSM)和切應(yīng)力輸運(yùn)模型(SSTKW)分別驗(yàn)證.計(jì)算過(guò)程中，近壁而的處理方式對(duì)計(jì)算準(zhǔn)確性影響很大，本文在近壁而處理方法分別采用標(biāo)準(zhǔn)壁而函數(shù)法和增強(qiáng)型壁而函數(shù)

5、法.增強(qiáng)型壁而函數(shù)法的計(jì)算結(jié)果接近試驗(yàn)值，ERSM最接近試驗(yàn)值，計(jì)算值與試驗(yàn)值的誤差在10%之內(nèi)，所以認(rèn)為在模擬旋轉(zhuǎn)條件下沖擊出流模型時(shí)，采用增強(qiáng)壁而方均根模型是可靠的，這與徐磊的結(jié)論一致.本文采用增強(qiáng)壁而方均根模型.1. 4邊界條件進(jìn)口采用速度進(jìn)口，出流孔設(shè)置為壓力出口.靶板外側(cè)采用等熱流密度加熱，側(cè)壁參與導(dǎo)熱.2計(jì)算結(jié)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).在這種構(gòu)造中，流體通過(guò)進(jìn)口流過(guò)通道，而不是采用沖擊靶而的形式進(jìn)入通道，這樣可以防止由于沖擊的作用產(chǎn)生旋流，從而到達(dá)無(wú)旋流的狀態(tài).旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下無(wú)旋流和有旋流的流場(chǎng)速度矢量圖.旋轉(zhuǎn)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)生背離加熱而的二次流.采用沖擊射流加出流孔的構(gòu)造后，由于沖擊和側(cè)壁而的阻擋產(chǎn)生旋流.在旋流的作用下，流體在通道中產(chǎn)生由沖擊而指向靶而的二次流，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(duì)于無(wú)旋流的通道，由于旋流產(chǎn)生的二次流對(duì)靶而有沖擊的作用，所以有利于受限層板的換熱.3結(jié)論本文通過(guò)數(shù)值模擬研究旋轉(zhuǎn)受限層板構(gòu)造中旋流對(duì)受限層板換熱的影響，在本文研究的模型中，得出如下結(jié)論:1)在沖擊受限層板中，產(chǎn)生對(duì)稱的旋流，旋流抑制旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的哥氏力，有利于受限層板換熱.2)轉(zhuǎn)速會(huì)顯著地影響受限層板內(nèi)旋流的流動(dòng)，隨著轉(zhuǎn)速的增加，受限層板內(nèi)旋流會(huì)被逐漸減弱，從而降低受限層板