针肋-凹陷复合通道流动与传热性能的数值模拟：凹陷深度的影响.pdfVIP

中国工程热物理学会 传热传质学 第十一届年会 编号：093533 针肋-凹陷复合通道流动和传热性能的数 值模拟：凹陷深度的影响 万超一，饶宇 ，臧述升∗ 上海交通大学机械与动力工程学院叶轮机械研究所，上海 200240 Tel: Email: yurao@sjtu.edu.cn 摘要 本文对一种新型的针肋-凹陷复合通道流动和传热性能进行了数值研究，获得了Nusselt 数 4 5 和摩擦因子。研究结果表明，与相应的针肋通道相比，在雷诺数范围1x10-1x10 ，针肋-凹陷复合通道 能够进一步强化对流传热，并且流动摩擦阻力增加不明显，针肋-凹陷复合通道的综合换热性能优于针 肋通道。研究结果还表明，凹陷深度对换热性能有影响，换热性能随着凹陷深度的增加而增大。 关键词：针肋；凹陷；复合通道；数值计算 0 引言 随着涡轮入口燃气温度的再提高，寻找更加高效、更加先进的冷却技术保证燃气轮 机高温部件的正常工作是工作者不断研究的方向。 针肋作为涡轮叶片尾缘中常用的强化换热手段，早已得到了众多学者的广泛研究。 在早期的研究中，Metzger 等[1]、Vanfossen[2]等对具有圆短针肋阵列通道内空气流 阻和传热性能进行了研究。他们的研究表明，针肋阵列通道的流阻和传热特性强烈依赖 于针肋高度H、针肋纵向间距X 和横向间距S、以及针肋阵列布置方式等。Chyu 等[3] 实验测量了针肋表面和根壁表面的传质系数；结果表明针肋阵列通道传热性能比相应的 光滑直通道高2-4 倍；针肋表面的传热性能高于根壁处 10-20%。 通过在壁面上按一定排列和间距加工出一定深度的凹陷来增强该壁面对流换热的 方式为凹陷冷却。凹陷冷却的主要特点是传热强度高，流动阻力小。根据Burgess[4]以 及Mahmood 和Ligrani[5]的实验，凹陷阵列成倍增加了涡对，加强了水平对流的二次 流和三维湍流传输；另一方面，凹陷并未突出伸入流体，因此，尾迹损失非常小。 Belenkiy[6]指出，与光滑通道相比，传热的增加高达 150%。 本文研究了湍流流动条件下，带有针肋和凹陷结构的复合通道的稳态流动结构和换 热性能，获得了平均的Nusselt 数、摩擦因子和综合热性能，研究了凹陷深度对针肋-凹 陷通道对流传热性能的影响。 1 计算方法 1.1 物理模型和边界条件 基金项目：国家自然科学基金资助(资助号. 针肋-凹陷复合通道的几何尺寸可参考图1。针肋直径D1 以及凹陷在平板上的投影直径 D2 均为 10mm；针肋和凹陷垂直流向的间距 S1/D=S2/D=2.5 ；各排沿流向的间距 X/D=2.5 。所研究的凹陷的深度h 分别为 1mm，2mm，3mm，简称为 1#，2#，3# 结构。 图 1 针肋-凹陷复合通道几何示意图 图 2 针肋-凹陷结构计算边界条件示意图 图2 示意了针肋-凹陷复合通道数值计算模型的边界条件。数值计算作了如下设置和 简化：1）只模拟流体部分的流动和传热特性；2 ）设置针肋-凹陷通道下表面为定热流密 度边界，上表面为绝热边界条件；3 ）两侧边设为对称边界条件；4 ）模型长为245mm， 宽37.5mm，高10mm，考虑边界层影响以及使流体混合更充分，在实验件前后端各加 上 245mm （15 倍水利直径）长的入口段和出口段；5 ）入口条件为速度入口，数值根 据所计算的雷诺数获得；6）所有的壁面均无滑移。 1.2 网格依赖性验证 在确定网格前首先进行了严格的网格依赖性验证。当加密网格而计算传热结果不再 发生明显变化时，可以认为计算的解可信。表1 给出了进行网格依赖性验证的示例。该 算例为Re =2x104 时的针肋结构。可以看出当网格从Grid 2 加密到Grid 3 后，出口温 度仅变化了0.02K （1%），故认为应用该网格进行计算结果可信。在