基于大渦模擬的交錯肋通道流動換熱特性研究.pdf

1、作為重要的工業(yè)裝備，燃?xì)廨啓C(jī)已經(jīng)廣泛用于包括航空、航海、機(jī)車、能源等工業(yè)領(lǐng)域，承擔(dān)著極其重大的保障人民生活及安全的任務(wù)。隨著傳統(tǒng)化石能的源供應(yīng)日益緊張，能源動力裝置的效率和經(jīng)濟(jì)性漸漸成為了科研及工程領(lǐng)域人員關(guān)注的重點。對于燃?xì)廨啓C(jī)而言，其透平進(jìn)口溫度的提高對于整體熱效率的提高有著極為重要的意義。葉片冷卻作為改善熱端轉(zhuǎn)子進(jìn)口溫度的關(guān)鍵技術(shù)，也早以成為了研究的熱門領(lǐng)域。本文通過對葉片冷卻結(jié)構(gòu)之一的交錯肋通道進(jìn)行研究，得到了其在不同進(jìn)口雷諾數(shù)

2、工況、不同進(jìn)口角度條件下的換熱特性；利用大渦模擬等研究方法，得到了其在特性工況下的內(nèi)部流場信息，從而得以更加準(zhǔn)確的分析其換熱特性。
　　1.通過對不同進(jìn)口角度的交錯肋模型進(jìn)行研究表明，進(jìn)口幾何角度對通道內(nèi)的換熱特性影響并不明顯。在一定的進(jìn)口工況條件下，壁面局部Nu分布特性以及全通道換熱表面Nu數(shù)平均值均沒有明顯變化。與之相比，Nu/Nu0平均值略有變化，其值大致隨著角度的增加而減小。也就是說，當(dāng)進(jìn)口轉(zhuǎn)角增加，進(jìn)口流場變得復(fù)雜時，通

3、道的換熱性能會有所降低。與之相反，在進(jìn)口雷諾數(shù)一定的情況下，通道的阻力系數(shù)會隨著進(jìn)口轉(zhuǎn)角的增加而略有降低。計算結(jié)果表明，進(jìn)口角度為90°時，整個通道的阻力系數(shù)相比于其它角度的情況下降明顯。結(jié)合換熱性能與阻力性能兩方面的計算結(jié)果，計算出綜合換熱系數(shù)TPF，結(jié)果表明在通道進(jìn)口角度增加的情況下，綜合換熱系數(shù)TPF呈現(xiàn)出上升趨勢。
　　2.對于特定的進(jìn)口幾何角度模型，當(dāng)雷諾數(shù)逐漸增加時，對于本文所計算的平板交錯肋幾何結(jié)構(gòu)，其壁面Nu值隨著

4、雷諾數(shù)的增加呈現(xiàn)出單調(diào)上升的趨勢，表明雷諾數(shù)越大，換熱強(qiáng)度越大。但是，當(dāng)雷諾數(shù)同樣逐漸增加時，壁面 Nu/Nu0值卻不是單調(diào)變化的。而是先隨著雷諾數(shù)的上升逐漸下降，之后隨著雷諾數(shù)的上升 Nu/Nu0值逐漸上升；交錯肋結(jié)構(gòu)的摩擦因數(shù)隨著工況雷諾數(shù)的增加而降低。當(dāng)雷諾數(shù)降低時，摩擦因數(shù)下降的幅度較大，當(dāng)雷諾數(shù)繼續(xù)增加時，摩擦因數(shù)繼續(xù)下降，但降幅明顯減小。
　　3.為了得到交錯肋結(jié)構(gòu)的內(nèi)部流場，本文利用大渦模擬(LES)方法對Re=30

5、000工況條件下通道的流動換熱情況進(jìn)行了仿真計算。通過流線分析、截面速度適量分析，以及利用渦識別方法，對計算結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，在交錯肋通道中，沿著子通道方向廣泛存在著縱向渦團(tuán)。子通道獨特的彎折特征是這些渦團(tuán)產(chǎn)生的主要原因。另外，子通道相互交錯的流動特點，也對這些渦團(tuán)的發(fā)展產(chǎn)生了重要影響。結(jié)合溫度場分析、壁面Nu數(shù)分析，以及場協(xié)同原理，對計算結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，子通道內(nèi)部的主流縱向渦、鐵壁縱向渦以及交錯通道引起的剪切渦，對通道的換熱特性能存在重要影

6、響。主流縱向渦的存在加強(qiáng)了冷卻空氣內(nèi)部能量交換，是的主流中心區(qū)域的溫度分布更加均勻。主流縱向渦、貼壁縱向渦以及剪切渦一起，強(qiáng)化了對近壁區(qū)域流動邊界層和熱邊界層的破壞，從而加強(qiáng)了換熱。縱向渦還使得主流中速度適量與溫度梯度適量的夾角變小，更加有利于冷卻空氣與壁面的熱量交換。
　　4.本文搭建了基于激光測量技術(shù)的粒子圖像速度測速(PIV)實驗臺，以便對交錯肋等比放大實物模型中，子通道內(nèi)部流場特征信息進(jìn)行測量，為后續(xù)對交錯肋通道的研究做好