王 瑾, 段文珊, 趙 凱, 趙路平

(上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院,上海 200093)

高溫高速氣流沖擊下氣流擋板的換熱性能研究

王 瑾, 段文珊, 趙 凱, 趙路平

(上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院,上海 200093)

在高溫高速氣流噴口后方設(shè)置傾斜氣流擋板,使氣流沿著擋板角度射入周圍環(huán)境,達(dá)到減少對(duì)周圍相關(guān)人員和設(shè)備的影響.同時(shí)為滿足對(duì)擋板的使用要求,降低擋板表面的溫度,對(duì)其換熱過程進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)擋板表面空氣層在換熱中為主要影響因素.涂層表面粗糙度和擋板頂部邊緣的銳角都會(huì)對(duì)邊界層產(chǎn)生擾動(dòng),進(jìn)而影響換熱.采用FLUENT軟件對(duì)擋板阻擋高溫高速氣流在不同工況條件下的影響因素及其耦合特性進(jìn)行數(shù)值模擬仿真研究,結(jié)果顯示,適當(dāng)?shù)耐繉颖砻娲植诙?使傳入擋板的熱量減少3%～7%;擋板邊緣倒圓角后,頂部溫度下降10%.

氣流擋板;空氣邊界層;表面粗糙度;換熱;數(shù)值模擬

1 氣流擋板換熱影響分析

1.1 氣流擋板基本結(jié)構(gòu)

氣流擋板裝置的作用是阻擋高溫高速氣流在周圍的擴(kuò)散并改變氣流方向,擋板必須具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐溫性能.氣流擋板是通過敷設(shè)在面板表面的涂層、面板和貫穿在面板內(nèi)部的水道冷卻來實(shí)現(xiàn)整個(gè)擋板耐溫的特性,擋板結(jié)構(gòu)如圖1所示.要求涂層和板面的材料耐壓、耐高溫,能夠完全承受高速氣流的噴氣推力和高溫的侵蝕.為了降低擋板的表面溫度,在面板內(nèi)部設(shè)置冷卻水流道,起到了良好的冷卻作用.

圖1 傾斜氣流擋板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of baffle

1.2 換熱影響因素分析

減少發(fā)動(dòng)機(jī)噴射氣流與氣流擋板的換熱量,提高擋板內(nèi)的冷卻效果,是控制好面板溫度、延長(zhǎng)擋板的使用期的兩個(gè)方面.高溫噴射氣流和擋板間的換熱量與其換熱熱阻密切相關(guān).發(fā)動(dòng)機(jī)尾部噴射的高溫高速氣流會(huì)在氣流擋板表面形成流程短而且薄的空氣邊界層,在離壁面極近的區(qū)域內(nèi)存在僅靠分子運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)熱傳遞熱量的黏性底層[5],黏性底層之外流體旋渦將加強(qiáng)壁面和噴射氣流主流區(qū)之間的熱量傳遞.與噴射主流流體不同,邊界層內(nèi)的流體溫度由于黏性底層的作用,沿壁面法線方向梯度較大,傳熱主要包括熱傳導(dǎo)傳遞的熱量和熱對(duì)流傳遞的熱量.空氣側(cè)熱阻包括對(duì)流換熱熱阻和導(dǎo)熱熱阻.根據(jù)氣流擋板結(jié)構(gòu),其換熱熱阻包括空氣側(cè)熱阻、涂層熱阻、面板熱阻和水側(cè)熱阻.

傾斜氣流擋板的總熱阻為R[6].

式中,ha為空氣對(duì)流換熱系數(shù);hw為冷卻水對(duì)流換熱系數(shù);δ為導(dǎo)熱熱阻厚度;λ為導(dǎo)熱系數(shù);d為冷卻水道的定型尺寸;Re為雷諾數(shù);Nu為努塞爾數(shù); Pr為普朗特?cái)?shù);r為擋板表面任一處與滯止點(diǎn)的距離;H為噴口與擋板的距離;D為射流噴口直徑;ν為運(yùn)動(dòng)黏度;x為擋板特征長(zhǎng)度;U∞為主流流體速度;下標(biāo)a,w分別代表空氣和冷卻水;下標(biāo)T,M分別代表涂層和面板.

在整個(gè)熱阻計(jì)算中,空氣的導(dǎo)熱系數(shù)和對(duì)流換熱系數(shù)較小,得到空氣側(cè)總熱阻占擋板總熱阻的96%左右,而涂層和面板導(dǎo)熱熱阻以及水側(cè)對(duì)流熱阻所占比率分別為2%,1%,1%.因此,板面處的空氣邊界層對(duì)擋板換熱是影響擋板換熱的主要因素.增加空氣側(cè)熱阻,可以有效地控制噴射氣流和氣流擋板之間的換熱量.由于氣流擋板表面的耐溫涂層存在一定粗糙度,對(duì)擋板表面的氣流黏性底層影響很大,高溫高速氣流沖擊面板時(shí)受表面粗糙度的影響,使噴射氣流的空氣邊界層厚度產(chǎn)生變化,從而影響氣流擋板空氣側(cè)熱阻;同時(shí),當(dāng)氣流平穩(wěn)地沿板面流動(dòng)時(shí),板面頂部邊緣90°的直角也會(huì)對(duì)氣流擋板的空氣邊界層造成很大擾動(dòng).本文通過數(shù)值模擬的方式來分析表面粗糙度和傾斜擋板頂部倒角對(duì)傾斜氣流擋板的板面空氣邊界層的影響,進(jìn)而研究氣流擋板的換熱耐溫性能.

2 高溫高速氣流沖擊擋板的數(shù)值模擬

2.1 建立物理模型和求解方程

高溫高速氣流沖擊傾斜擋板示意如圖2所示,以其整場(chǎng)作為計(jì)算域,設(shè)定噴口直徑為1 m,噴口中心距擋板表面為3 m,擋板大小為5 m×4 m,氣流擋板與氣流沖擊方向呈45°夾角,Y軸與擋板平面呈45°,垂直向上,Z軸與X軸構(gòu)成水平平面,Z軸與氣流流入方向相反,X軸與冷卻水流入方向相反.

圖2 沖擊射流示意圖Fig.2 Schematic diagram of jet impingement

采用前處理軟件Gambit進(jìn)行幾何建模并劃分網(wǎng)格.為提高網(wǎng)格質(zhì)量及計(jì)算求解的準(zhǔn)確性,表面涂層、擋板本體、冷卻水道及擋板后區(qū)域均采用六面體結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格劃分;氣流擋板前部區(qū)域均采用T-Grid網(wǎng)格劃分;并采用線、面、體的順序依次對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格設(shè)置,對(duì)擋板表面的空氣邊界層處網(wǎng)格局部加密,保證第一個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)在y+＜5內(nèi).y+是第一層網(wǎng)格質(zhì)心到壁面的無量綱距離,保證第一層網(wǎng)格劃分在層流底層內(nèi)部.

Navier-Stokes方程能精確描述射流的流動(dòng)和傳熱問題[7].

射流沖擊湍流模型采用SST k-ω模型[8],可直接求解近壁空氣邊界層處的流動(dòng)和傳熱問題.計(jì)算采用有限體積法離散控制方程,并用SIMPLE算法處理壓力與速度之間的耦合.

2.2 邊界條件的設(shè)定

射流側(cè)和循環(huán)冷卻水側(cè)均采用速度入口條件,給定入口處的速度和溫度;內(nèi)部冷卻水沿-X軸向流入氣流擋板,均勻流動(dòng),定義冷卻水初始溫度為32℃,速度為1.5 m/s;出口采用壓強(qiáng)出口條件;計(jì)算區(qū)域的上部、后部以及兩個(gè)側(cè)面與大氣相通的面均設(shè)定為壓力出口;地面設(shè)定為固定無滑移壁面條件.

3 模擬結(jié)果及分析

采用FLUENT軟件對(duì)高溫高速氣流沖擊傾斜擋板在不同工況條件下進(jìn)行瞬態(tài)數(shù)值模擬計(jì)算.由于噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)噴口的作用,整個(gè)傾斜擋板周圍的氣流流場(chǎng)均呈現(xiàn)為高溫高速狀態(tài),選用噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的2種工況進(jìn)行研究,工況1的發(fā)動(dòng)機(jī)噴口氣流溫度為800℃,噴口中心氣流速度為500 m/s;工況2的發(fā)動(dòng)機(jī)噴口溫度同為800℃,氣流速度達(dá)到1 000 m/s.而氣流擋板所能承受的材料表面溫度不宜超過480℃.氣流噴射過程中,噴射氣體沿噴出方向的溫度衰減很大,氣流各組分氣體的物性參數(shù)值隨著溫度的變化而波動(dòng).如圖3所示,在模擬時(shí)對(duì)氣流的物性參數(shù)設(shè)定中,根據(jù)氣體的燃?xì)饨M分和溫度變化范圍,采用最小二乘法擬合曲線,使這些求得的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)之間誤差的平方和為最小,由此獲得氣流比定壓熱容cp、動(dòng)力黏度μ等作為物性參數(shù)的輸入數(shù)據(jù).

圖3 物性參數(shù)與溫度的擬合關(guān)系曲線Fig.3 Fitting curve of cpandμversus temperature

圖4 擋板表面熱流密度和溫度分布云圖Fig.4 Contours of heat flux and temperature on surface of baffle

發(fā)動(dòng)機(jī)在2種工況下工作3 min時(shí),噴口對(duì)傾斜擋板沖擊射流以及擋板整體換熱情況如圖4所示(見下頁(yè)),整束氣流到達(dá)擋板后大部分沿板面折射向上流動(dòng).擋板中心處氣流駐點(diǎn)區(qū)的空氣邊界層非常薄,隨著氣流沿板面Y軸正向流動(dòng)的過程中,流態(tài)充分發(fā)展,擾動(dòng)增加,在擋板上半部分的熱流密度q逐漸增多.在擋板頂部存在局部高溫現(xiàn)象,在工況1下氣流擋板的頂端局部最高溫度T約為495℃,在工況2下可達(dá)533℃,均高于材料能夠承受的480℃.為了延長(zhǎng)氣流擋板的工作壽命,改變涂層表面粗糙度和氣流擋板頂部邊緣尖角,可有效降低擋板表面溫度和改善氣流擋板的換熱性能.

3.1 表面粗糙度

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)尾部噴出的高溫高速氣流流過擋板,板面的空氣邊界層隨著氣流流過方向逐漸加厚,涂層表面粗糙度會(huì)對(duì)空氣邊界層的穩(wěn)定性造成影響,進(jìn)而影響裝置的換熱性能.李軼名等[9]選取粗糙元高度為3.2 mm的涂層,通過實(shí)驗(yàn)表明,二維單一粗糙元在流向上使層流提前向湍流轉(zhuǎn)變,對(duì)轉(zhuǎn)捩有促進(jìn)作用;Sharif等[10]分析了表面粗糙度對(duì)射流沖擊凸?fàn)畎肭虻膶?duì)流熱傳遞的影響,認(rèn)為在物體表面設(shè)置粗糙度后會(huì)增強(qiáng)換熱;Carolyn[11]認(rèn)為邊界層厚度為一常數(shù),指出粗糙度與邊界層厚度的比值會(huì)影響流體的分離.本文以光滑壁面為參考,垂直于壁面的氣流速度U如圖5所示,在工況1下,主流流體速度U∞約450 m/s.在2個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)工況下,氣流自滯止點(diǎn)沿板面向上流動(dòng)1 m處的邊界層厚度δ99分別約為2,3 mm,即在較小速度沖擊擋板時(shí),在板面形成的空氣邊界層較厚.在工況2下,氣流雷諾數(shù)較高,流體緊貼壁面處速度梯度較大,U∞約為850 m/s.

圖5 垂直于壁面的氣流速度分布Fig.5 Airflow velocity distribution in the direction perpendicular to the surface

發(fā)動(dòng)機(jī)在2種工況參數(shù)下沖擊傾斜擋板3 min時(shí),在擋板表面形成的邊界層厚度不同,在工況1下取涂層表面粗糙度K分別為1 000,200,150, 100μm,在工況2下取K分別為100,50,25,10, 1μm進(jìn)行瞬態(tài)模擬計(jì)算.

如圖6(a)和6(b)所示,在邊界層內(nèi)部垂直于壁面處的氣流速度沿邊界層厚度δ增加的方向,先逐漸增大,后趨于平緩.工況1時(shí),不同粗糙度下的氣流速度基本一致.工況2時(shí),涂層表面K=50, 100μm時(shí)的垂直于壁面處的氣流速度大小基本相同,明顯低于其它K值下的流速,且涂層表面K= 1,10μm時(shí)的氣流速度大小也基本相同.在發(fā)動(dòng)機(jī)工況2較高的氣流流速條件下,隨著板面粗糙度的增大,對(duì)邊界層內(nèi)空氣流動(dòng)產(chǎn)生的粘性阻力亦隨之增加,近壁面處的氣體流速由于受到粘性力的影響而逐步減小.由于在工況2下,發(fā)動(dòng)機(jī)噴口氣流的流速高于工況1的,在擋板表面形成的邊界層厚度較薄,故粗糙度大小對(duì)近壁面處空氣邊界層流動(dòng)影響較明顯.

同時(shí),垂直于壁面氣流的湍流強(qiáng)度I如圖6(c)和6(d)所示,隨著網(wǎng)格點(diǎn)靠近主流區(qū)域氣流的湍流強(qiáng)度先增加后減小.在工況1下,不同粗糙度對(duì)邊界層內(nèi)氣流的湍流強(qiáng)度影響不大.在工況2下,K= 100,50μm時(shí)湍流強(qiáng)度基本相同,高于其它較小粗糙度,K=1,10μm時(shí)湍流強(qiáng)度最小.因此,隨著粗糙度的增大,邊界層內(nèi)速度梯度有減緩趨勢(shì),但是,擋板表面越粗糙,對(duì)氣流的擾動(dòng)作用越強(qiáng).當(dāng)涂層表面粗糙元處于邊界層內(nèi)部時(shí),能夠增加邊界層內(nèi)部流場(chǎng)粘性力[12],保持流動(dòng)的穩(wěn)定性,延緩流動(dòng)由層流向湍流的轉(zhuǎn)變.隨著粗糙度的增加,空氣邊界層逐漸變厚,氣流流動(dòng)易受到粗糙元的影響而形成擾動(dòng),加速了流態(tài)轉(zhuǎn)捩,進(jìn)而破壞邊界層的穩(wěn)定,增強(qiáng)了換熱效果.

圖6 不同粗糙度下垂直于壁面的氣流分布Fig.6 Airflow parameters trends in the direction perpendicular to the surface under different roughness

高溫高速氣流沿板面向上流動(dòng)時(shí),沿Y軸正方向的氣流近板面流速變化如圖7(a)和7(b)所示(見下頁(yè)).氣流在傾斜擋板表面邊界層內(nèi)的流速?gòu)臏裹c(diǎn)沿板面Y軸正方向先逐漸增大,后有減小趨勢(shì),粗糙度大小依舊對(duì)工況1下的沿板面流速影響不大.在工況2下,K在小數(shù)值時(shí),氣流沿?fù)醢宓牧魉俅笮』疽恢?超過K=10μm后,隨著粗糙度增加,對(duì)氣流流動(dòng)產(chǎn)生更多的阻力,使流速逐漸降低,當(dāng)K=50μm時(shí),流速最小,再增加粗糙度,流速已不再變化,這與邊界層內(nèi)垂直于板面的速度變化規(guī)律相符.

粗糙度的增加會(huì)減小板面氣流的流動(dòng)速度,進(jìn)而減少對(duì)流換熱,但是,粗糙度不能一味增大,這樣邊界層內(nèi)流動(dòng)的穩(wěn)定性也會(huì)受到破壞.從圖7(c)和7(d)(見下頁(yè))可以看出,氣流在傾斜擋板表面的熱流密度從滯止點(diǎn)沿板面Y軸正方向先逐漸增大,后逐漸減小,與沿板面速度變化趨勢(shì)一致.在工況1下,不同粗糙度下板面的熱流密度區(qū)別不明顯.在工況2下,滯止點(diǎn)處在粗糙度較小時(shí),熱流密度較大,隨著氣流流動(dòng)穩(wěn)定,在K=50～100μm時(shí)傳入擋板的熱流密度趨于穩(wěn)定,傳入擋板的熱量最多.而當(dāng)K=10μm時(shí)傳入擋板的熱量最少,比K≥50μm時(shí)減少了近7%.因此,可以認(rèn)為在此工況下,粗糙度為10μm時(shí)可以阻隔更多的熱量.

擋板表面溫度與熱流密度的分布相一致,如圖7(e)和7(f)所示,當(dāng)K=10μm時(shí)擋板表面溫度最低,相比K=1μm時(shí)的下降了4℃,相比K= 25μm時(shí)下降了5℃,相比K=50,100μm時(shí)的下降了10℃.

圖7 不同粗糙度下沿?fù)醢灞砻鏆饬鲄?shù)的變化趨勢(shì)Fig.7 Airflow parameters trends along the baffle surface under different roughness

3.2 擋板頂部邊緣倒角

當(dāng)氣流流過擋板邊緣,由于頂部邊緣處為90°的直角,破壞了流體流線,對(duì)空氣邊界層造成擾動(dòng),增強(qiáng)了換熱效果,擋板頂部在高溫高速流體的作用下出現(xiàn)了局部高溫.如果在擋板頂部設(shè)置一個(gè)5 mm半徑的圓角,使氣流脫離擋板時(shí)沿圓弧流線進(jìn)入周圍環(huán)境.如圖8所示,使氣流剛到達(dá)擋板頂部時(shí)溫度迅速升高,在流動(dòng)穩(wěn)定后溫度有所下降并趨于平緩.在工況1下,擋板溫度穩(wěn)定時(shí),在設(shè)置圓角后擋板頂部溫度為424℃,改變結(jié)構(gòu)前為473℃.在工況2下,在設(shè)置圓角后擋板頂部溫度為487℃,改變結(jié)構(gòu)前為536℃.雖然在氣流沖擊擋板過程中擋板頂部溫度短暫的超過允許溫度,但是,瞬時(shí)效應(yīng)短暫,考察穩(wěn)定后的參數(shù)值滿足材料要求.因此,將擋板頂部直角倒角后,降溫效果明顯.

綜上所述,適當(dāng)?shù)膿醢灞砻娲植诙群透淖儞醢屙敳恐苯菭顟B(tài)對(duì)減弱高溫高速流體沖擊擋板和射流換熱效果明顯,擋板頂部局部最高溫度降低50～60℃,有效地將氣流擋板的溫度控制在擋板材料許用溫度范圍內(nèi),滿足了氣流擋板在高溫高速噴射氣流沖擊下的使用要求.

圖8 擋板頂部溫度隨時(shí)間變化趨勢(shì)Fig.8 Temperature trend varying with time at the top of baffle

4 結(jié) 論

通過對(duì)高溫高速氣流沖擊傾斜氣流擋板換熱的影響因素進(jìn)行分析,得出以下結(jié)論:

a.高溫高速氣流噴射傾斜氣流擋板時(shí),在擋板涂層表面處形成的空氣邊界層是影響氣流擋板換熱性能的主要因素.而氣流擋板涂層表面的粗糙元對(duì)整體板面空氣邊界層的穩(wěn)定性起了關(guān)鍵性作用,同時(shí)擋板邊緣的直角對(duì)氣流擋板頂部局部空氣邊界層的厚薄產(chǎn)生較大影響.

b.由于噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)工況不同,工況1氣流沖擊速度較低,在氣流擋板板面形成的空氣邊界層較厚,因此,換熱性能受到粗糙度的影響較小;工況2氣流沖擊速度增加,在氣流擋板表面的空氣邊界層較薄,粗糙度的變化對(duì)氣流擋板的換熱性能有較大影響.通過模擬分析,在K=1～100μm的粗糙度范圍內(nèi),粗糙度為10μm時(shí)阻隔的熱量最多,使氣流擋板板面整體溫度下降近10℃,傳入氣流擋板的熱流密度減少7%.

c.在傾斜氣流擋板頂端邊緣將直角改為5 mm半徑的圓角后,高溫高速氣流沿氣流擋板頂部圓弧流線進(jìn)入周圍環(huán)境,避免了氣流經(jīng)過邊緣直角造成的空氣層擾動(dòng),無論工況1或工況2,氣流擋板頂端局部最高溫度均下降50～60℃.

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(編輯:石 瑛)

Heat Transfer at High Temperature and High Speed Airflow Jet Impinging on Baffle

WANGJin, DUANWenshan, ZHAOKai, ZHAOLuping
(School of Environment and Architecture,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

An oblique baffle was set behind the high temperature and high speed airflow nozzles in order that the air can flow along the baffle into the surrounding environment to decrease the affection around relevant personnels and equipments.For ensuring the use of the baffle,the heat transfer was analyzed and it was found the air layer on the baffle surface is the dominant factor. And the boundary layer stability is affected by the surface roughness and the baffle top edge angle. The influencial factors and their coupling characteristics under different operating conditions were studied by using the software FLUENT.The results show that the proper coating surface roughness can reduce the heat flux by 3%～7%,and the temperature of top surface of baffle by 10%.

airflow baffle;air boundary layer;surface roughness;heat transfer;numerical simulation

TK 124

A

2014-04-30

上海市教委重點(diǎn)學(xué)科資助項(xiàng)目(J50502)

王 瑾(1955-),女,副教授.研究方向:制冷空調(diào)工程研發(fā)與節(jié)能.E-mail:wjljh2003@163.com系列的研究,陶世森等[1]對(duì)跨聲速理想膨脹射流沖擊的角度、射流距離與噴口直徑比進(jìn)行了模擬分析,得到了最佳射流角度和射流距離;葉純杰等[2-3]對(duì)用于湍流射流沖擊的不同數(shù)值方程的使用效果進(jìn)行了探討;陳慶光等[4]研究了矩形噴口沖擊射流的氣流流動(dòng)和傳熱特性.研究主要集中在噴管射流特性及噴管射流和氣流擋板之間的關(guān)系等,而對(duì)氣流擋板的熱力性能的研究比較少見.為了保證氣流擋板的工作可靠性,延長(zhǎng)其使用期限,必須保證氣流擋板的耐高溫性,因此,需對(duì)擋板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及噴射氣流特性對(duì)換熱的影響進(jìn)行分析,以指導(dǎo)氣流擋板設(shè)計(jì).

1007-6735(2015)01-0023-07

10.13255/j.cnki.jusst.2015.01.005

噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的大尺寸噴管噴出的高溫高速氣流會(huì)對(duì)其周圍的人員與設(shè)備造成很大影響,為改變以上狀況,采用擋板阻擋,改變其氣流方向,使高溫高速氣流沿著擋板板面某一角度方向向上進(jìn)入空氣環(huán)境中,以達(dá)到保護(hù)周圍人員與設(shè)備的目的.

目前對(duì)噴管射流沖擊傾斜擋板的現(xiàn)象進(jìn)行了一