文档介绍：肋化内冷通道结构流动换热的 尺度效应数值研究
报告内容
研究背景和本文研究内容
数值模拟的模型与边界设置
流场和温度场特征
带肋通道高度对换热的影响
肋高和肋通道高度比值对换热的影响
肋间距和肋高比值对换热的影响
结论
在强化涡轮叶片的诸多的冷却方式中,扰流柱或肋化壁面因其固有的强化传热特征和结构特征,在涡轮叶片的冷却结构中,特别是在涡轮叶片弦中区的冷却结构中起着十分重要的作用。
J. ( 1984 ) 通过大量的基础研究, 给出了静止状态下带肋通道中影响冷却效果的因素: 通道的宽高比,肋片布置结构以及雷诺数等.
Miin Liou 等人( 1998) 研究了肋高与肋间距比对换热情况的影响
J. C. Han 与 Zhang 等人( 1990) 研究了多种高性能肋片的换热效果,包括45°平行肋 45°交叉肋 60°平行肋 60°交叉肋 45°V 形肋 60°V 形肋 45°倒 V 形肋 60°倒 V 形肋等, 获得了布置有不同肋片的内部通道的换热情况
J. C. Han和 Park 等人( 1998) 研究了斜置肋片的换热情况
Srinath 等人( 1997 ) 研究了双行程通道中180°大转弯对换热的影响
Webb 和 Zhang 等人研究了圆形、三角形等非矩形截面通道的换热情况, 详细分析了通道内部的流动和换热
Lesley M. Wright(2003)等人研究了完全发展、突缩、部分突缩的进口条件下对旋转的、涡轮叶片抽象出来的矩形通道换热的影响
Joon Ahn等人(2005)通过大涡模拟和实验的方法研究了矩形通道中,矩形肋和半圆形肋对换热和流阻的影响
Rong Fung Huang等人(2007)通过实验研究了矩形通道中,上下壁面排列交错直肋,肋片的宽高比,肋间距与肋高比值对流动和换热的影响。
Michael Huh等人(2012)研究了在旋转状态下,等截面回转通道中(AR=2:1),通道方位对光滑通道以及带肋通道的换热的影响。
很多学者从试验和数值计算两方面对带肋内部通道冷却进行了大量的研究。但是近年来,微小型发动机涡轮叶片的冷却受到关注,在小尺寸冷却结构涡轮叶片设计技术中,需要进行小尺寸、小流量效应对涡轮叶片冷却影响的研究。
(1) 建立涡轮叶片弦中区带肋通道冷却结构的物理模型和数学模型;
(2) 针对给定的肋通道尺寸、肋高、肋间距和进出口压比等参数范围,对涡轮叶片弦中区带肋通道传热特性进行数值计算,分析通道尺度对于流阻系数和对流换热系数的影响
计算模型
变化的参数:
(1)改变进出口压比
(,,,,)
(2)改变肋通道高度
(,,,)
(3)改变肋高与肋通道高度比值
(,,)
(4)改变肋间距与肋高比值
(6,8)
边界条件:
进口: 压力进口10atm
冷气静温700K
出口: 压力出口
侧壁面: 绝热壁面
吸力面: 恒热流边界
q=200000 W/m2
压力面: 恒热流边界
q=200000 W/m2
计算方法
本文采用Fluent分离隐式求解器进行稳态求解,选用RNG 双方程湍流模型加非平衡的壁面函数;各物理量的离散格式均为二阶迎风格式;压力速度耦合采用SIMPLEC算法,动量方程、能量方程和湍流方程都采用二阶迎风格式。能量方程残差小于10-6,其他方程残差小于10-4。求解过程中采用欠松弛因子,以提高收敛速度且保证解的稳定性。
分析参数
式中,q为壁面热流密度,Tf in为冷却气流进口温度, Tw为壁面温度;ρ为冷却气流密度,uf,in为冷却气流进口速度,Pin为冷却气流进口压力,Pout为冷却气流出口压力
对流换热系数
欧拉数
(c) H=,e/H=,p/e=6
(a) H=,e/H=,p/e=6
肋化通道内的流场
(b) H=,e/H=,p/e=6