叉排扰流柱排列参数对旋转矩形通道对流换热特性的影响

叉排扰流柱排列参数对旋转矩形通道对流换热特性的影响 叉排扰流柱排列参数对旋转矩形通道对流 换热特性的影响 航空动力 JournalofAerospacePower VO1_14No.3 Julyl999 叉排扰流柱排列参数对旋转矩形通道 对流换热特性的影响 ? V23/,/燃气满轮研究院王代军,邓化愚?———一L,I?,,_ 主题词:旋转堕堡垫.生 分类号:V231.1TK124粕撒自由词:扰流柱矩形通道 l引言 国外对旋转管流的研究着手较早如在50年代Baruau等人就开始对旋转光滑管内的流 场,压力场,温度场进行了分析研究;此后人们(如Harasgama)对多种截面形状的旋转通道 的传热进行了研究近年来,粗糙管旋转换热的研究受到了人们的重视,如Zhang和Chiouu_ 研究了带肋矩形截面蛇形通道的换热特性;Hsieh和Liu一研究了两面光滑,两面带肋的方管 和矩形管的换热特性;Hsieh和Hong一对单通道粗糙方管的换热特性作了研究.以上这些研 究一般认为旋转将加强换热,但对通道各个表面的局部换热特性,各研究的结果有所不同. 国内对旋转漏轮叶片内冷通道的换热也作了一些工作,如王宝官和丁小江进行了 旋转 光滑圆管的换热研究;王武,作了旋转光滑方管和收缩通道的换热实验.本文作者.对一个带 有叉排扰流柱阵列的矩形通道在旋转状态下的对流换热进行了初步的实验研究,实验结果表 明:在雷诺数(定义为Re=--pVD/p,其中D为通道无扰流柱处的当量直径)的试验范围内 (12000,45000).在相同转动数(Ro~D/V)下,Re越太,换热系数增加得越多;旋转不仅增 加了通道后表面的换热,也增加了前表面的换热,且换热随Ro的增加而增加;由于通道内扰 流柱的影响,沿通道轴向换热系数是单调增加的.为了研究叉排扰流柱的排列参数对传热特性 的影响,本文对6十实验模型进行了比较研究. 2实验模型 本实验所用的实验装置在参考文献[8]中已作了详细的描述,本文不再重复.实验模型的 1998年9月收稿;1998年12月收到修改稿 *男41岁教授南京航空航天大学动打工程系210016 —,露 雌蛑 第 ? 航空动力第】4卷 结构如图1所示.通道无扰流柱处的最大截面积4为2×8mm,对应的当量直径D(~4A/ cj为13.8mm模型通道全长270toni,其中无扰流柱的 不加热段长为58nlm,由胶木材料制成,起整流和模型安 装的作用;带扰流柱的加热段长为22mm,这一段的通道 壁面(厚为3mn1)和扰流拄均采用黄铜材料制作直径d 为2nlm的横穿通道的扰流柱按叉排方式排列.其排列参 数由表1给出. 裹1实验模型的几何参数 其中S为扰流柱横向间距,S为2倍的纵向间距, 为扰流柱总阻塞面积.模型5是参考文献[8中所采用的模 型.模型6是光滑通道为参考模型通道轴线与旋转轴线垂 直,矩形通道的长边与转轴平行,冷却气流径向朝外. 3实验结果分析 影响带扰流柱阵列的旋转矩形通道换热的主要因素 力 臣l iI一 . i I _.. # 运动方向 前表面 —— ?三三三卜,一旋转轴 后袁面 cbj ()模型结构和扰流柱的排列形式 ()前,后表面的定卫(疆视图) 有:雷诺数R,转动数Ro,雷莱数Ra(兰zn.flATDPr/v2),普朗特数P,(三.),模型的轴 向位置Z/D,扰流柱的排列形式及参数,s/和A/A等在本实验中Pr为0.72.Ra数 为5×1O=量级.实验数据采用与参考文献[8]相同的方法处理. 3.1雷诺数Re,转动数Ro及通道轴向位置的影响 作为参考,图2给出了光滑通道在静态时的壁面各点局部努塞尔数?"(~hD/A)在 不同 " 主90 l I 5.l 前表面后表面 ?m一20000 l820 z}D 圉2光滑通道静态时沿通道j哥向随Re的变化 4S0f…0, I]m=】20.. .如 l礼表l血后丧0:: 250 l5? 5ll 121{161820222426 ZD 田3模型S静态时Nu沿通遭轴向随Re的变化 第3期叉排扰流柱排列参数对旋转矩形通道对流挠热特性的影响 雷诺数尺e时沿通道轴向的分布t注:图中通道前表面和后表面的实验点用相同的 符号表示, 但前表面各点的连线为实线.后表面的连线为虚线).在同一雷诺数下,在通道进口 处,Nu数 较大.随着Z/D的增大.Nu数先不断降低.然后趋于平缓,在轴向位置ZID大约为20的地 方'相当f模型通道的中部)换热系数最低.然后缓慢增加,在通道出口附近增加的速度较大. 这主要是由于Z/D较小时.附面层较薄.对流换热比较显着.因而Nu数较大随着Z/D的增 大.附面层变厚.不利于对流换热,导致Nu数逐渐下降.在ZiD'~20后,换热系数也有所回 尹.前后表面的实验结果重复得很好表明系统的实验误差可忽略 在静止状态下.当相同雷诺数R时.有扰流柱的模型沿着通道轴向各点的局部换热系数 与光滑通道模型对应点的换热系数有明显的区别模型1,模型4的实验结果与模型5的结 果相类似(图3),随着Re数的增加,各测点局部Nu都增大;随着z/D的增加,Nu呈单调 上升的趋势.在通道进口附近,?升高得较缓慢.随着Z/D的增加.Nu的增加速度不断加 大,到出口附近?虬的升高幅度最大,这主要是由于扰流柱的存在,使得沿z方向紊流度不断 加大的原因 旋转对光滑通道的换热的影响可由图4(a)看出,图中纵坐标Nu/Nu反映了旋转时通道 的努塞尔数与同一通道静止时的努塞尔数之比.在给定的转动数Ro下,通道前表面从进口一 直到出口附近各点的Nu/Nu值几乎不变或略有下降,只是列出口时,才有所增加.而后表面 各点的换热能力都高于前表面的对应点并且转动数越大,前后表面换热系数的差异越大.这 主要是由于后表面为压力面,边界层趋于不稳定,有大尺度的涡存在,而前表面为低压面.边界 层较稳定.向紊流的转捩较后表面为晚_I_.旋转对带扰流柱的各模型的换热影响是类似的.作 为例子图4(b)给出了模型5的Nu/Nu分布可以看出,首先旋转提高了通道的换热能力.并 且转动数越大换热能力的提高幅度越高:另外,前后表面换热特性的差异变小(参见文献8],. 且都随通道轴向距离的增加而单调上升 . j: -c 《.-. d81820222426 Z?|1Z:1) 【b) 圈模型6和攫型5不同转动数时NuiNu沿通道轴向的分布(d攫型6{b.模型j) 造成各模型?/?沿通道轴向呈上述分布的一部分原因是当Z/D变大时,各局部点离 浮升力增大,导致近壁处气流的扰动加强,有利于换热.另一部分原因是实验中流动处于进 口段.在靠近进口处气流速度分布较均匀,哥氏力引起的二次流较弱,对换热影响较小.随着 移 .呈茹生一 ??×0一lIIjJ 一 ,,麓,雾一一4,{雌兰一蓑#一一, 航牵动第【4卷 Z/n的增大,在中心区域流体的速度逐渐增大,而靠近壁面的附面层内的气流速度较小,受哥 氏力作用产生的二次流加强,增大通道内的扰动.有利于换热,从而使Z/D较大时,换热增 加的程度也加大. 3.2扰流柱排列参数S/S对换热的影响 模型l,2,3的扰流柱的排列参数S/d相同.S/S.不同,其中模型1的S/S为2,模 型2的为20,模型3的为1.6.比较这l一个模型,可说明扰流柱排列参数S/S对通道换热的 影响.首先来看一下这三个模型在静态时?/?"沿通道轴向的分布(其中?是对应光滑 圆管充分发展紊流的平均努塞尔数,即?‰=0.023RePr).图5是Re=12000时3个模 型的比较.图中还加上了光滑通道模型6的实验结果可以看出.光滑矩形通道的?虬/?".值 在通道两端约大于1,在通道中间部分约小于1,其平均值约等于1.即静态时光滑矩形通道与 光滑圆管的换热接近:带扰流柱的模型1,2,3的换热明显大于光滑通道模型6,且Z/D越大, 这种趋势越明显,模型3出口处"甚至已达光滑管Nu.的4倍.这些都说明扰流柱对通道 内的换热有极大的强化作用图5还表明模型3各的?"/?"值都比模型2约大O.5左 右{模型1的换热沿通道轴向的分布与前两个模型有所不同,在Z/D<22时,换热沿轴向的变 化很小,当Z/D>22之后.换热开始缓慢地单调增加.在Z/D<22时,模型l的换热最好,当 Z/D>22之后,模型1的换热反而小于模型3.但仍大干模型2. 一 1: 【一llI 一楼 一?Ji卜11"l?_ 二接J o0I—J一一,一 ^0J一一————…一.—— 】2{518:0227}26】:14】b1a2022:Jl. z'『]Z'』) 图5模型1,2,3,6在静态时Nu"o的比较图6模型1,2,3,6在Ro一01时Nu/Nu,的比较 图6是旋转状态(R0=0.1)下模型1+2,3.6的Nu/Nu.沿通道轴向的分布.图中曲线的 变化趋势与图5静态时的趋势是基本一致的.但是从前面对Ro数的分析中可知+此时的值都 比对应雷诺数下静态时的值大.事实上,与Ro=0.02和0.06时的实验相比较说明(因篇幅限 制,本文未给出曲线图),转动数Ro越大,'v?".的值越太另外,转动时.各模型后表面的换 热都略大于前表面的换热. S/S这个参数实际上反映了上游扰流柱的尾迹对下游扰流柱及通道壁面换热能力的影 响.在实验所考察的范围内,S的取值选在1.2和1.6之间较好. 33扰流柱排列参数s/d对换热的影响 参数S/d反映了扰流柱阵列内横向排列的疏密程度,在一定的程度上也反映了通道的阻 {: 正z 00 : : , 第3期叉排扰施柱排剥参数对旋转矩形通道对梳换热特性影响 塞面积比它对通道换热的影响通过比较模型2,4,5的结果来说明.图7(a)和图7fb)是静止 状态下R—l2000和25000时模型2,4,5,6的?地/Nu.沿通道轴向的分布.在这些图中可 看出模型2和5沿轴向的换热变化规律差别非常小,而模型4的换热要比这两个模型高得多, 光滑通道模型6的换热仍然远远小于扰流柱通道.沿通道轴向,模型2,4,5的换热都是单调增 加的,通道出口附近,大约在Z/D2>22之后,各模型的换热增加得较快,且模型4的这种特征 尤为明显图7(a)(Re一12000)与图7(b)(Re一25000)的比较显示:R较大时,模型2的换热 优于模型5,即雷诺数对模型2的影响较大 l00r S0 =00 】2000 [幔2 =O0 Re一25000 二模型2 撞犁4 l!I416】B2022426 fb) 囝7横型2,4,5,6在静态时N,酌比较(a.Rel2000b.Re--25OOO) 图8是模型2,4,5.6在转动数Ro=0.08时的换热比较.比较图7(a)和图8,可发现 静态时曲线非常接近的模型2和5的换热分 布,当转动数为0,08时二者却拉开了距离,变 为模型5的换热明显优于模型2,也即旋转使 模型5的换热量增加得更多,模型5对旋转的 作用更为敏感.这与雷诺数对这两个模型的作 用相反(图7b).所有这几张图也说明,带扰流 柱通道的换热明显大于光滑通道,且越往下游 这种趋势越明显 无论是静态还是旋转状态下.模型4的换 热系数都明显大于其它模型,这是因为模型4 的S/d最小,扰流柱横向排列最密,换热面积 增加的最多.但是,模型4的扰流柱阵列的总阻 塞面积比最大,AI/A为23.1%,而其余模型仅 为l5.4%.可以推断,模型4的高换热能力必 然伴随着高的流阻损失 Z, , 61 = 一17ll —一弋亩一一蟊釜一矗—斋 ?,) 图8模型2.4.5.6在旋转时Nu/Nu的比较 00 nq{ .乏\=乏 , 一言, ,如H 一