第4卷第4期
2005 年 12 月
热科学与技术
Jo urnal of Thermal Science and Tec hno lo gy
Vol.4No.4
Dec
.
2005
文章编号: 1671-8097(2005)04-0293-05
收稿日期: 2005-02-26; 修回日 期: 20 05-09-15 .
基金项目: 国防重点实验 室基金项目 (51459030101J100901).
作者简介: 邱庆刚(1969-), 男 , 讲师, 博士生, 主要从事传热传质、强化及系统能量集成的研究.
仿螺旋肋片内冷通道流动与传热数值分析
邱庆刚, 沈胜强
( 大连理工大学 动力工程系, 辽宁 大连 116024 )
摘要:
利用数值分析方法研究了新型仿螺旋肋片内冷通道的传热与流动特性。采用横截面积为矩形、上下表
面带有间断性倾斜矩形肋片叉排且对置的仿螺旋肋片内部冷却通道。分析了在通道宽高比
A
R
=2.9、肋化比
F
f
/
F
= 2.545、肋高与通道当量直径比
e
/
D
h
= 0.336、肋间距与肋高比
p
/
e
=0.6、肋片与轴面的夹角 β=15°
及
Re
在1×10
4
～2×10
5
时的非旋转情况下,
Re
、肋片与主流方向夹角 α等参数对内冷通道强化传热与流动
阻力特性的影响。计算结果表明,该仿螺旋矩形肋片作为旋流形成装置起到了迫使流体旋转运动、提高流速和
减小层流底层厚度的作用,通道内流体流动达到了预期的螺旋流动效果,通道平均换热系数得到了明显的提
高,但同时流动阻力也显著增加。
关键词: 燃气轮机; 叶片; 冷却; 仿螺旋肋片
中图分类号:TK124 文献标识码
:A
0
引 言
在 现代燃气轮机设计中,随着对航空发动机
性能要求的提高,涡轮进口温度越来越高,这使得
涡轮叶片在越来越高的温度下工作,其温度已高
出涡轮叶片材料所能承受的程度,要保证涡轮叶
片在高温下可靠工作,就必须对其进行冷却。涡轮
叶片内部对流冷却是叶片冷却技术的一种,在叶
片冷却中发挥着重要作用,因而得到了广泛重视
和大量的研究。在众多的强化传热手段中,肋化内
冷通道是一种行之有效的方法。肋化内冷通道通
常使用肋条、针肋以及矩形肋等。对于上述的几种
几何形状的肋,均得到了众多学者的广泛研究。
C handra 等
[1 ]
利用实验方法研究了带有肋条且分
别置于方形通道内一个、二个、三个及四个内表面
的传热与阻力特性;实验结果显示,随着带有肋条
内表面数的增多,传热效果显著增强,同时阻力系
数也明显增大。Ia co v id e s 等
[2]
利用实验方法研究
了带有肋条且对置于两个内表面、肋条叉排排列
且与流体主流方向成 45°夹角的方形通道内的传
热与流动特性,指出由肋条引起的二次流及重附
着流具有很强的强化换热作用。其他许多学者对
这种肋条强化换热手段进行了实验研究(H sieh
和Liao
[3]
,邓斌等
[4]
) 及数值分析(Jang 等
[5 ]
,O oi
等
[6]
)。实验及数值研究显示,肋条作为强化换热
手段是有效的,其排列方式、冲击角及几何尺寸等
参数对内冷通道的换热及流动阻力特性具有很强
的影响。吉洪湖等
[7 ]
、田丽亭等
[8 ]
分别用实验及数
值方法研究了内冷通道带有针肋内冷通道的换热
特性,指出由于针肋的扰流作用,在针肋附近的局
部 换热系数得到增强。苑中显等
[9]
利用数值方法
研究了带有矩形肋内冷通道的流动与换热特性,
数值计算表明,矩形肋具有较高的强化换热效果,
但同时使流动阻力增加。
本 文提出一种新型的内冷通道冷却方案,采
用通道横截面积为矩形、上下表面带有对置的间
断性倾斜矩形肋片,形成仿螺旋肋片内部冷却通
道,以期流体旋转流动,增强总体换热强度。这种
新型的内冷通道冷却方案与文献[9] 相比,不仅
利用了矩形肋片作为扩展面积达到强化换热的目
的,同时利用其一定的几何排列来仿效螺旋肋片
管的强化换热机理,起到了迫使流体旋转运动、提
高流速和减小层流底层厚度的作用。针对该新型
内冷方案,本文用数值模拟的方法,探讨了内冷通
道在非旋转状态下特有的流动与换热特性,以及
部分参数对内冷通道强化传热和流动阻力特性的
影响。
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