郭濤，朱惠人，蘇福彬，許都純

（西北工業(yè)大學動力與能源學院，西安710072）

1 引言

帶肋和出流孔通道是燃氣渦輪發(fā)動機渦輪葉片中常用的冷卻結(jié)構(gòu)，冷卻空氣在通道內(nèi)流動對壁面進行冷卻時，一部分氣流由出流孔流出，在葉片表面形成氣膜冷卻，或在內(nèi)部形成沖擊冷卻，從而構(gòu)成組合冷卻方式，提高冷卻空氣的利用效率。

在相關(guān)研究中，針對無出流孔的帶肋通道，文獻[1]對通道中的換熱和流動阻力進行了研究，分析了肋角度和通道高寬比等幾何因素對流動和換熱特性的影響；文獻[2]測量了帶肋通道中的換熱分布和流場；文獻[3]對帶肋通道內(nèi)的流動進行了數(shù)值模擬研究。以上研究得到的詳細流動和換熱分布，揭示了肋對流動的影響和增強換熱的機理。針對出流對換熱的影響，文獻[4]對無肋通道出流孔附近的冷卻空氣流動及換熱進行了研究，得到了出流影響下的換熱分布規(guī)律，揭示了出流對通道內(nèi)壁面的強化換熱機理。針對帶肋和有出流的通道，文獻[5]對通道內(nèi)冷卻空氣的流動情況進行了數(shù)值模擬，分析了通道內(nèi)的流場；文獻[6]研究了不同形式的肋對換熱分布的影響；文獻[7]研究了不同出流情況對換熱分布的影響。研究表明，出流使有出流壁面換熱分布發(fā)生較大改變，但其研究都只針對帶肋和出流孔壁面。

本文針對帶肋和出流孔通道，對通道中帶肋壁和光滑壁的換熱分布以及雷諾數(shù)和出流比對換熱特性的影響進行實驗研究。

2 實驗裝置和測試方法

2.1 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示，實驗時壓縮機1關(guān)閉，以氣罐2中的高壓空氣作為氣源，高壓空氣由閥門4調(diào)節(jié)并由流量計3測量流量，經(jīng)前穩(wěn)定箱5穩(wěn)定后進入實驗通道7，前穩(wěn)定箱5內(nèi)裝有多孔板，且為收縮出口，以保證氣流在通道入口速度均勻，通道入口處裝有快速加熱器6，對氣流進行快速加熱，實驗通道內(nèi)一部分氣流由通道的出流孔排出，另一部分進入后穩(wěn)定箱8，經(jīng)閥門9和流量計10排出，實驗出流比由閥門9調(diào)節(jié)并由流量計3和10的測量結(jié)果計算。正對研究表面，布置有照明光源11和CCD攝像機12，用以記錄研究表面液晶顏色的變化。實驗開始前，在總?cè)莘e為140 m3的氣罐中充入0.6 MPa的高壓空氣，由于實驗流量小，持續(xù)時間短，實驗過程中氣罐內(nèi)壓力、溫度的變化，以及由此導致的通道內(nèi)工況參數(shù)的變化可以忽略。

實驗通道如圖2所示，截面為矩形，高寬比為1:1，當量直徑De=70 mm，2相對壁面帶肋，肋與通道中心線呈90°，差排布置，其中有出流孔的帶肋壁面15根，無出流孔帶肋壁面14根。肋截面為矩形，肋寬與肋高之比為1:1，肋高與通道水力直徑之比為1：10，肋距與肋高之比為1:10。通道中1帶肋壁面有出流孔，出流孔位于相鄰2肋之間中心位置，出流孔直徑與通道當量直徑之比為1:10，長徑比為2.9:1，出流孔垂直于所在壁面。

2.2 測試方法

實驗通道各壁面換熱系數(shù)的測量采用熱色液晶瞬態(tài)測試方法，即在研究表面均勻噴涂熱色液晶，實驗開始前將通道入口雷諾數(shù)和出流比調(diào)整至目標值；實驗開始時，快速加熱器使氣流溫度迅速升高，研究表面的溫度由于對流換熱而上升，由熱色液晶測量其溫度分布及其隨時間的變化。表面溫度Tw隨時間τ的變化過程與對流換熱系數(shù)h、氣流溫度Tg、壁面初始溫度T0和材料物性有關(guān)。因此，實驗中只要記錄表面溫度和氣流溫度的變化過程Tw(τ)、Tg(τ)，并已知實驗件初始溫度T0和物性（如密度ρ、比熱c、導熱系數(shù)λ），即可用瞬態(tài)導熱理論求解對流換熱系數(shù)。通常為簡化計算過程，將實驗限定在較短時間內(nèi)完成，此時壁面內(nèi)部為1維半無限大導熱狀態(tài)，氣流溫度階躍升高時，各參數(shù)之間的關(guān)系為

若氣流溫度升高不是階躍過程，可用若干階躍過程進行擬合，相應(yīng)參數(shù)之間的關(guān)系變?yōu)?/p>

為滿足上述2式的應(yīng)用條件，實驗時間應(yīng)滿足τ≤（δ2ρc）/（16λ）。具體實驗方法見文獻[8]。由于研究采用的實驗通道壁厚不同，所允許的最大實驗時間對有出流孔壁面（δ=20 mm）為231 s，對其他壁面（δ=10 mm）為58 s。

研究中各參數(shù)定義如下。通道入口雷諾數(shù)

通道總出流比

努塞爾數(shù)

式中：min、mout為通道入、出口質(zhì)量流量；A為通道截面積；μ為動力黏性系數(shù)。

實驗通道入口雷諾數(shù)為Re=20000、40000、60000、80000，通道總出流比為Br=0.30、0.45、0.60。

3 結(jié)果及分析

3.1 通道各壁面換熱分布

2個無肋側(cè)壁以通道中心對稱，因此實驗測量了2個帶肋壁面和1個側(cè)壁的換熱分布。各工況實驗結(jié)果規(guī)律類似，以Re=60000、Br=0.6的工況為例進行分析，如圖3所示。無出流帶肋壁面，換熱在2個相鄰肋間的中心區(qū)域和下游肋的上游區(qū)域較強，上游肋的下游存在低換熱區(qū)域。出流使通道內(nèi)的氣流速度逐漸減小，換熱逐漸減弱；而在帶肋和出流孔壁面，根據(jù)文獻[5]對類似通道中流動情況的數(shù)值模擬，由于出流作用，一方面使通道中心的氣流偏向壁面；另一方面，使壁面附近靠近中心線的流動速度減慢，而靠近側(cè)壁的氣流偏向出流孔。因而在孔的附近，尤其是孔的下游，出現(xiàn)高換熱區(qū)，而在出流孔上游，壁面中心線附近的換熱低于兩側(cè)，形成“倒C”形[7]換熱分布。在通道長度方向，靠近通道入口處，肋的擾流作用和出流造成的氣流偏轉(zhuǎn)作用逐漸加強，使壁面2肋之間的換熱增強，在x/De=2～3時達到最大。此后，出流造成的流速減慢使換熱逐漸減弱；在無肋側(cè)壁上，可以清楚的看到2壁面不同換熱強度的過渡趨勢。側(cè)壁上靠近出流一側(cè)，在靠近通道入口處（x/De＜3），由于差排肋導致的氣流周期性上下偏轉(zhuǎn)尚未充分建立，肋擾流形成的高換熱區(qū)域向下游影響范圍較大，隨x/De的增大，周期性偏轉(zhuǎn)流動穩(wěn)定后，高換熱影響區(qū)在通道高度方向增大，沿流向有所減小，呈蠶豆形，換熱最高區(qū)域位于肋的上方偏上游位置。由于通道內(nèi)流量逐漸減小，努塞爾數(shù)的數(shù)值亦隨之減小。由于實驗件法蘭安裝邊的遮擋，側(cè)壁上方10 mm區(qū)域未取得數(shù)據(jù)，該區(qū)域高度大于肋高（7 mm），無出流帶肋壁面的肋對側(cè)壁換熱的影響被部分遮擋，但依然可以看出，相對無出流的帶肋壁面，帶出流孔壁面的肋對側(cè)壁換熱造成的影響區(qū)域較大。這是出流與肋的綜合作用使有出流壁面附近流動的3維特征更加明顯造成的。

3.2 雷諾數(shù)對各壁面平均換熱特性的影響

雷諾數(shù)對各壁面平均換熱特性的影響如圖4～6所示。其中Nu0是按照經(jīng)典的光滑管內(nèi)強制對流換熱經(jīng)驗公式Nu0=0.023Re0.8Pr0.33計算的。由圖4～6中的（a）圖可見，各壁面平均努塞爾數(shù)均隨雷諾數(shù)的增大而增大。對于無出流孔的帶肋壁面和側(cè)壁（圖4（a）、圖5（a）），平均努塞爾數(shù)在各出流比下有所不同，而在帶肋和出流孔壁面（圖6（a）），其平均努塞爾數(shù)的變化曲線在各出流比下基本重合，表明出流量的大小對有出流壁面的影響程度很小。圖4～6中的（b）圖為換熱增強系數(shù)Nu/Nu0隨雷諾數(shù)的變化，換熱增強系數(shù)均隨雷諾數(shù)的增大而減小，說明其強化換熱效果隨雷諾數(shù)增大而變差，其原因與高雷諾數(shù)下管內(nèi)流動更趨于充分湍流有關(guān)。各壁面的不同在于：（1）對于無出流孔的帶肋壁面和側(cè)壁（圖4（b）、圖5（b）），在相同雷諾數(shù)下，換熱增強系數(shù)隨出流比的增大而減小。而帶肋和出流孔壁面（圖6（b）），在不同出流比下，換熱增強系數(shù)基本相同。（2）隨雷諾數(shù)的增大，2帶肋壁面的換熱增強系數(shù)的減小速度逐漸趨緩，說明雷諾數(shù)較大時肋導致的擾動趨于較為穩(wěn)定的狀態(tài)，而無肋側(cè)壁增強系數(shù)隨雷諾數(shù)增大而減小的速度無明顯變化。（3）從換熱增強系數(shù)的數(shù)值上看，帶肋和出流孔壁面換熱增強作用最大，側(cè)壁的次之，無出流帶肋壁面的最小。

3.3 出流比對各壁面平均換熱系數(shù)的影響

如圖7所示，對于無出流孔的帶肋壁面，努塞爾數(shù)和換熱增強系數(shù)隨出流比的增大而減小，小雷諾數(shù)情況下?lián)Q熱增強系數(shù)減小的速度比大雷諾數(shù)下的更快，這說明出流比的影響在小雷諾數(shù)下更加明顯。隨雷諾數(shù)的增大，換熱增強系數(shù)的差別減小。如圖8所示，對于側(cè)壁，努塞爾數(shù)和增強系數(shù)亦隨出流比的增大而減小，且隨雷諾數(shù)的增大，其減小的趨勢更加明顯。如圖9所示，對于帶肋和出流孔壁面，努塞爾數(shù)和換熱增強系數(shù)均不隨出流比的變化而改變。原因在于各壁面導致?lián)Q熱增強的因素各不相同，對于無出流孔的帶肋壁面和側(cè)壁，流速是主要影響因素，出流越大通道內(nèi)流速降低越多，造成努塞爾數(shù)和換熱增強系數(shù)隨出流比增大而減小。對于帶肋和出流孔壁面，出流導致的氣流向壁面偏轉(zhuǎn)是決定換熱情況的重要因素，相比之下通道內(nèi)流速降低對換熱的影響較弱，在出流比Br=0.3時，壁面附近的氣流偏轉(zhuǎn)已很充分，出流比越大只會使越靠近通道中心的氣流發(fā)生偏轉(zhuǎn)，而不會對壁面附近的流動情況產(chǎn)生大的影響，換熱分布和增強程度亦不隨出流比的變化而變化。

4 結(jié)論

根據(jù)實驗測量結(jié)果，在本文所研究的雷諾數(shù)和出流比范圍內(nèi)，有如下結(jié)論：

（1）出流對帶肋通道各壁面換熱均有較大影響，且影響規(guī)律各不相同。

（2）出流的存在使無出流孔的帶肋壁面換熱系數(shù)沿通道方向減小，使帶肋和出流孔壁面的換熱系數(shù)沿通道方向先增大后減小。

（3）各壁面努塞爾數(shù)隨雷諾數(shù)增大而增大，換熱增強系數(shù)隨雷諾數(shù)增大而減小。

（4）無出流孔的帶肋壁面及側(cè)壁的努塞爾數(shù)和換熱增強系數(shù)隨出流比升高而減小，帶肋和出流孔壁面的努塞爾數(shù)和換熱增強系數(shù)不隨出流比的變化而變化。

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