旋轉狀態下矩形微小通道流動與換熱試驗研究

孫浩峰，孫紀寧

（北京航空航天大學能源與動力工程學院，北京100191）

旋轉狀態下矩形微小通道流動與換熱試驗研究

孫浩峰，孫紀寧

（北京航空航天大學能源與動力工程學院，北京100191）

為了研究微小通道結構在航空發動機渦輪葉片中應用的前景和可行性，以空氣為冷卻介質，在Re＝1000～3000、轉速為0～500 r/min、Ro＝0～3.5×10-3條件下，對水力直徑為1 mm的旋轉微小通道組的流動和換熱特性進行試驗研究。結果表明：微小通道流阻系數呈現粗糙壁通道特征，通道臨界Re≈2350，流阻系數以及臨界Re隨轉速增加未見明顯改變。在靜止狀態下，通道組綜合換熱系數隨Re增大而增大，換熱系數分布沿流動方向逐漸減小；在旋轉狀態下，通道組平均綜合換熱系數略有增大，旋轉對換熱特性的影響隨著流動的發展而增大。

微小通道；流阻系數；臨界雷諾數；換熱；旋轉

0 引言

隨著航空渦輪風扇發動機性能提升，要求發動機渦輪前溫度不斷提高。通過縮小通道尺寸以增加換熱面積的方法可以有效提高葉片冷卻效果，但受加工工藝限制，目前可以實現的最小通道尺寸為0.1～1.0 mm量級。典型結構為微小通道氣膜新型復合冷卻結構[1]。

Hetsroni[2-3]等通過對可實現的最小通道的研究發現，微小通道中氣體在充分發展的層流中，試驗獲得的阻力系數可以與傳統理論預測值很好地吻合，臨界Re=1800～2200；Poh-Seng Lee[4]等認為微小通道內流動特性與傳統N-S方程的預測結果十分接近；Pfund[5]等人發現，光滑矩形微小通道的臨界Re=2000，試驗獲得的Po大于理論預測值。

同時，Poh-Seng Lee[4]、劉慶東[7]、馬世巖[8]對微小通道結構的換熱效果進行了研究。結果表明微小通道結構可以大大提高換熱效率，但強化幅度并未達成統一結論。

另外，渦輪轉子葉片具有旋轉運動的特點。通過對常規尺寸旋轉狀態下的研究發現，旋轉對通道流動狀態產生重要影響，隨著旋轉數的增加影響效果顯著加強[9]；由于流動狀態的改變，旋轉通道的換熱效果也有所改變[10]。但旋轉效應對微小通道是否存在影響的研究仍處于空白。

為此，本文在原尺寸狀態下對渦輪葉片尺度的微小通道的臨界Re及外壁面綜合換熱系數進行研究，并考慮旋轉效應對二者的影響。

1 試驗模型和系統

為研究臨界Re以及通道流阻特性，定義通道內流動阻力系數f及Re

式中：ΔP為通道兩端總壓壓差；L為通道長度；dh為通道截面水力直徑；u為特征速度。

定義泊肅葉數Po

為研究微小通道換熱特性，定義綜合對流換熱系數hχ

式中：Ω為轉速。

本試驗利用銅的高導熱系數特性，采用銅塊-加熱膜組合加熱單元，模擬局部等壁溫邊界條件，并在非換熱面加絕熱材料，減小熱損失。總加熱功率q可通過計算加熱膜發熱功率（q=U×I）獲得，銅塊內埋設熱電偶測量銅塊溫度即壁溫Tw，如圖1所示。

1.1 試驗模型

整體試驗模型如圖2（a）所示。為提高冷氣流量測試精度，試驗采用微小通道組的方法進行，即采用50個通道的通道組結構，各通道流量均勻分配，流量

式中：λ為冷卻空氣導熱系數。

為研究旋轉效應對流動及換熱的影響，定義旋轉數Ro

式中：q為總加熱功率；qloss為熱損失功率；A為換熱面積；Tw為通道外壁面溫度；Tf為當地主流溫度，利用進出口流體溫度線性插值獲得。

圖1 加熱單元結構

定義無量綱綜合換熱系數Nuχ測點處的流量大大增加，從而減小測量誤差，如圖2 （b）所示。每個通道的截面尺寸為0.6 mm×3 mm，水力直徑為1 mm，通道壁厚0.6 mm。

試驗通道組總長度為150 mm。其中：進口段30 mm，用于冷卻氣流在通道內充分發展；試驗段100 mm，沿流向被平均分成5個加熱點單獨加熱，各加熱點之間的加熱熱流相等，相鄰加熱單元間用絕熱材料進行絕熱處理，其中兩端加熱點為通道提供絕熱邊界，中間3個加熱點為試驗點；出口段20 mm，用于消除出口段對通道出口處流動的擾動。對整個試驗件的數值模擬結果顯示，無論是在靜止狀態還是在旋轉狀態，各通道間流量分配的不平均度小于2%。

相鄰銅塊之間通過2 mm厚的尼龍墊片進行隔熱，尼龍導熱系數為銅的1/2000。在試驗室工況下，通過尼龍絕熱墊片的熱流不高于銅塊加熱熱流的4%。

本試驗采用徑向入流的流動方式，如圖2（c）所示，冷卻氣體從高旋轉半徑流向低旋轉半徑。

圖2 試驗件通道組結構

本試驗模型在試驗通道入口和出口端設有集氣腔，對腔內氣體總壓進行測量，通過數值模擬驗證可知集氣腔內總壓和通道組進、出口處總壓相差不大，從而通過測量腔內總壓得到通道進、出口總壓差。

1.2 試驗裝置

試驗臺如圖3所示，由進氣段、主支撐段、試驗段和數據采集段組成。在冷氣入口前段通過熱式流量計測量冷卻空氣的質量流量，通過旋轉進氣接頭實現冷卻空氣由靜止到旋轉的轉化。試驗件安裝在試驗段，由熱電偶測量的溫度信號通過旋轉亞當實現實時監測，測試系統及加熱膜的供電和數據信號輸出通過滑環引電器實現動靜轉化，壓力信號則直接通過尾部的旋轉測壓接頭引出，在靜止條件下直接測量。

圖3 試驗臺結構

試驗供氣系統包括空氣壓縮機、空氣過濾器、穩壓腔、穩壓閥、電動流量調節裝置以及熱式質量流量計。空氣經供氣系統的穩壓除塵處理后進入試驗臺。旋轉進氣接口及試驗臺中引氣管道嚴格密封，在進入試驗臺旋轉進氣接口之前測量流量，不會產生誤差。

2 結果分析

2.1 靜止狀態

Po隨Re的變化曲線如圖4所示。從圖中可見，通道Po隨Re的增大而增大。這與經典理論的常規尺度光滑圓管層流狀態下Po=64的結論不同。而非光滑壁面通道在層流段Po隨Re的增大而增大[11]，與本試驗結果相吻合。所以采用線切割工藝加工的試驗表面在微小通道內不能認為是光滑壁面。

圖4 在靜止狀態下Po與Re的關系

流阻系數f隨Re的變化規律如圖5所示。從圖中可見，通道內的流阻大于常規尺度光滑圓管的。Re增大到2350時，流阻系數出現明顯的轉折現象，表明此時已經進入層流和湍流間的過渡流動狀態[12]。

圖5 流阻系數f與Re的關系

3個試驗測點及平均Nuχ隨Re的變化規律如圖6所示。試驗測點沿流動方向分為P1、P2、P3。從圖中可見Nuχ隨Re的增大而增大。

圖6 在靜止狀態下Nux隨Re的變化規律

式中：L*為試驗點與試驗段入口的距離；Lexp為試驗段總長度。

在靜止狀態下Nuχ隨χ變化趨勢如圖7所示。從圖中可見，通道的換熱效果沿流動方向逐漸減弱，由于微小通道結構有很強的流向導熱效果，在各試驗點加熱熱流相同的情況下，沿流動方向，通道內當地主流溫度升高，壁溫也升高，在流向導熱的作用下，熱流會向通道進口方向傳導，使得進口處的局部換熱效果增強。

2.2 旋轉狀態

在不同轉速下Po隨Re的變化曲線如圖8所示。

為了研究試驗通道沿流動方向換熱效果的分布，定義無量綱數χ為試驗點的無量綱徑向距離從圖中可見，在本試驗工況范圍內，Po隨轉速的變化改變不明顯。在不同轉速下流阻系數f隨Re的變化曲線如圖9所示，從圖中可見，隨著轉速的增大，通道的臨界Re變化也不明顯。

圖7 在靜止狀態下Nux隨x變化趨勢

圖8 在旋轉狀態下Po隨Re的變化趨勢

圖9 在旋轉狀態下f隨Re的變化趨勢

為對比旋轉與靜止狀態的差別，定義旋轉換熱系數比α

式中：Nus為靜止狀態下綜合換熱系數。

平均旋轉換熱系數比和沿程旋轉換熱系數比隨Ro的變化趨勢如圖10所示。從圖10（a）可見，通道平均Nuχ隨著Ro的增大而增大。旋轉產生的二次流對后緣面的沖擊作用強化了通道內部的換熱效果。Wen-Lung Fu等[10]在試驗工況為550 r/min時，對寬高比為1∶4的常規尺度矩形通道的試驗結果顯示，在旋轉狀態下、Re=3000時，α=3左右。而本試驗中雖然轉速和寬高比與其相似，但是在相同Re下α僅約為1.04。這種換熱增強效果的差異，是由于本試驗為原尺寸微小通道模型，水力直徑比上述常規尺度通道的小，在相同轉速和Re的條件下，Ro為其1/140左右，所以通道內的旋轉效應很弱，由哥氏力產生的二次流的流動效果很弱，對換熱的強化作用并不明顯。從圖10（b）、（c）可見，在通道入口處，Nuχ和Ro并沒有明顯的關系，但隨著流動的發展，Nuχ隨著Ro的增大而增大的現象逐漸明顯。P1試驗點Nuχ隨Ro的變化不明顯是由于較弱的旋轉效應無法使二次流在進口段就充分形成。表明在微小通道內二次流始終處于不斷增強的發展過程中。

圖10 在旋轉狀態下α與Ro的關系

3 結論

（1）本試驗模型在靜止狀態下，在Re<2300時，Po隨Re的增大而增大，與光滑通道理論結果不符，所以在微小通道結構中，采用線切割等傳統工藝加工的試驗件表面不能視為光滑壁面，粗糙度會對通道流動特性產生影響。

（2）本試驗模型在靜止狀態下，通道臨界Re約為2350。

（3）在靜止狀態下，通道Nuχ隨著Re的增大而增大，且進口段換熱效果更強。

（4）在旋轉狀態下，在本試驗的試驗工況范圍內，通道流阻系數和臨界Re均沒有明顯變化。平均Nuχ隨Ro的增大略有增大，其主要原因在于微小通道的幾何尺寸較小，導致Ro很小，旋轉效應不夠顯著。但在一定轉速下，局部Nuχ沿流動方向增大幅度提高，表明在微小通道內二次流始終處于不斷增強的發展過程中。

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[8]馬世巖.渦輪葉片微小通道冷卻結構的換熱研究[D].北京：北京航空航天大學能源與動力工程學院,2009. MA Shiyan.Research on heat transfer of micro channel in the turbine blade cooling structure[D].Beijing：Beihang University,2009.（in Chinese）

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Experimental Study on Flow and Heat Transfer of Rectangular Microchannels on Rotating State

SUN Hao-feng,SUN Ji-ning
（School of Jet Propulsion,Beihang University,Beijing 100191,China）

In order to find a way to use the microchannels into aeroengine turbine blades,the experimental investigation was conducted to explore the flow and heat transfer behaviors in the rectangular microchannels, which hydraulic diameter is 1mm,taken air as coolant,in which the range of the Reynolds number is from 1000 to 3000.The rotating velocity varies from 0 to 500 r/min.The rotating numbers are changing from 0 to 3.5×10-3.The results showed that the flow resistance coefficient of the microchannels renders the rough wall characteristics.The critical Reynolds number is about 2350.With the increasing of the rotating velocity,the flow resistance coefficient and the critical Reynolds number shows no significant change.In the stationary state,the integrated heat transfer coefficient is increasing with the Reynolds number,but its distribution go down along the flow direction.In the rotating state,the integrated heat transfer coefficient increases slightly.The influence of rotating on the heat transfer characteristics increases with the developing of the flow.

microchannel;flow resistance coefficient;critical Re number;heat transfer;rotating

孫浩峰（1988），男，在讀碩士研究生，研究方向為計算傳熱和試驗傳熱。

國家自然科學基金（51006008）資助

2012-09-25