出流孔傾角對層板冷卻結構流動與換熱特性的影響

楊璐璐，盧朝陽

(南京航空航天大學民航學院，南京 211106)

出流孔傾角對層板冷卻結構流動與換熱特性的影響

楊璐璐，盧朝陽

(南京航空航天大學民航學院，南京 211106)

設計了5種不同層板冷卻結構出流孔傾角模型，應用Fluent軟件對其進行流動與換熱的耦合計算，并對數值計算結果進行了對比分析。結果表明:當冷流沿出流孔流入主流時，冷流與熱流摻混較強，湍動能沿程逐漸增大;隨后摻混逐漸趨于平穩，湍動能逐漸減小;隨著出流孔傾角的逐漸增大;出流孔中心線兩側的流體不斷被卷吸進來，不斷擠壓出流孔中心線上的流體，冷流與熱流的混合增強，摻混核心區的面積逐漸增大。隨著出流孔傾角的逐漸增大，沿出流孔流入主流的冷流覆蓋在熱側壁面上的溫度逐漸升高，換熱逐漸減弱，熱側壁面溫度逐漸升高。

傾角;層板結構;湍動能;流動換熱

未來航空發動機朝著高推重比的方向發展，為增加發動機的推力和功率，需要不斷增加直接參與燃燒的空氣量，從而導致用于冷卻的空氣量逐漸減少，同時燃燒室出口溫度逐漸升高［1］，給高溫部件的冷卻帶來一定困難，這就要求人們探索更為高效的冷卻結構。

在燃燒室中采用層板冷卻結構是解決火焰筒冷卻問題的先進技術之一。層板冷卻結構能夠在減少冷卻用氣量的情況下降低火焰筒壁面溫度梯度和結構熱應力水平，延長其使用壽命。因此，具有層板冷卻結構的火焰筒是未來燃燒室的主要結構形式，具有良好的發展前景［2-3］。

典型的層板冷卻結構(如 Lamilloy層板［4-5］和Transply層板［6］)，是集沖擊冷卻、強化對流換熱和氣膜冷卻于一體的高效冷卻方式。國內外眾多學者對層板冷卻開展了研究工作［7-11］。許全宏［12］研究表明:發散壁熱側換熱增強系數隨著吹風比的增大而增大，長菱形排布優于正菱形排布，換熱增強系數隨著孔排數的增加而增加。宋雙文［13］研究表明:層板冷卻效率隨吹風比的增大而增加，當吹風比大于1時，吹風比對層板冷卻效率沒有影響。袁星［14］研究了填充比和直徑比對層板結構流阻和換熱特性的影響。曹?。?5］研究表明:擾流柱的排列方式對層板冷卻效果沒有影響。譚曉茗［16］研究了7種不同層板結構的流動和換熱特性。研究表明:沖擊孔、氣膜孔和擾流柱的排布方式以及擾流柱直徑對層板結構的流動與換熱有顯著的影響。

國內對層板冷卻結構的流動與換熱特性影響因素的研究大多限于主擾流柱直徑、通道高度、不同沖擊孔、氣膜孔、吹風比以及排布方式等參數的變化，對出流孔傾角的研究不多［17-24］。而出流孔傾角變化是層板冷卻結構的流動與換熱特性的重要影響因素，急需開展對應的研究。為此，本文設計了5種不同出流孔傾角的層板冷卻結構，以Fluent商用軟件為工具，研究了出流孔傾角變化對層板冷卻結構的流動與換熱特性的影響。

1 計算模型

1.1 物理模型

如圖1所示，本文選取叉排的2列擾流柱的局部區域進行研究。由于燃燒室半徑較大，將以上角度很小的區域簡化為矩形通道，從而得到本文研究的層板冷卻結構模型。在如圖2所示的層板冷卻結構示意圖中:沖擊板長L=35 mm;沖擊板厚δ=1 mm;外壁厚δ0=1.5 mm;沖擊孔距離沖擊板末端L0=35 mm;沖擊孔直徑D0=1.5 mm;第1排擾流柱距沖擊板前緣的距離L1=14.75 mm;擾流柱直徑d=0.8 mm;擾流柱軸向間距S=1.75 mm;擾流柱展向間距P=1.0 mm;擾流柱高度和通道高度均為H=2.5 mm;出流孔中心距離沖擊板前緣L2=8 mm;出流孔直徑D=1.5 mm。由于出流孔傾角的變化對熱側壁面溫度分布有很大影響，因此在保證通過沖擊孔流量相等的條件下，本文設計了層板冷卻結構中出流孔的5種傾角模型，孔傾角α分別為20°，30°，45°，60°和90°。

1.2 計算模型與計算網格

圖3給出了本文的計算域模型。根據航空發動機燃燒室的實際通道高度，確定本文的熱流通道高度為42 mm，熱流進口、冷流進口和以及混合流出口如圖3所示。

圖4給出了計算域周期面局部網格分布。計算模型全部采用結構化網格，在流體近壁處均實施了網格局部加密，保證了計算結果的可靠性。圖5給出了冷側壁面網格分布。本文分別對網格數為85萬、130萬、160萬、210萬和240萬的模型進行網格獨立性驗證。當網格數為160萬時，算例滿足網格獨立性要求。因此，本文所有的計算模型網格數量均為160萬左右。

圖1 擾流柱的排布方式

圖2 層板冷卻結構示意圖

圖3 計算域模型示意圖

圖4 周期面局部網格分布

圖5 冷側壁面網格分布

2 邊界條件與湍流模型

表1給出了冷熱流體的進出口參數，其中冷流進口采用流量進口，流量m˙=0.125 g/s。冷流體沖擊到沖擊板后，沿放置有擾流柱的冷流通道流動，最后從出流孔流出與主流混合。冷、熱流體均設置為理想流體;計算域的端面均設置為絕熱面;前后面均設置為周期面;流體與固體壁面的交界面設置為流固耦合面。計算采用Fluent商業軟件;湍流模型采用Realizablek-ε模型;控制方程采用控制容積法進行離散，采用隱式分離求解;壓力速度耦合采用SIMPLE算法;對流項采用二階迎風進行離散，解收斂的判斷標準是相對殘差小于1×10-6。

表1 冷熱流體的進出口參數

3 計算結果與分析

3.1 速度分布

冷流沖擊到沖擊板面后，沿有擾流柱的冷卻通道流動，并從出流孔流出與熱流發生摻混。圖6 (a)～(e)分別給出了模型1～5中x/D=7截面局部區域的速度分布云圖。以圖6(a)模型1為例，x/D=7截面上冷流出流中心線y=0上速度uZ為正值，且沿Z軸正向逐漸減小。這是因為冷流沿出流孔流入主流沿程動量逐漸減小，使得冷流穿透主流的速度逐漸減小;在中心線y=0處，由于沿出流孔流出的冷流的卷吸作用，使得中心線y= 0左右兩側的流體微團發生轉動，速度uZ的方向發生改變。不同模型的x/D=7截面局部速度分布規律相似。

比較不同模型可以看出:隨著出流孔傾角的增大，中心線y=0上逐漸出現2個uZ為正值的峰值區域，底部區域的速度uZ峰值逐漸增大，上方區域的速度uZ峰值逐漸減小。這是因為沿出流孔流出的冷流卷吸中心線y=0兩側的流體，使中心線y=0兩側的流體微團發生轉動，隨著出流孔傾角的逐漸增大，這種轉動逐漸加劇，并逐漸擠壓中心線y=0附近區域，將中心線y=0附近的區域分為上、下2個速度uZ峰值中心。

3.2 速度矢量與流線分布

圖7(a)～(e)分別給出了模型1～5中x/D= 7截面局部區域的速度矢量與流線分布。以圖7(a)模型1為例，冷流沿出流孔流入主流，中心線y=0兩側的流體被卷吸進來，在中心線y=0兩側形成旋轉方向相反的左右對稱分布的一對渦;冷流覆蓋在熱側壁面上，隨著冷流與熱流的摻混以及換熱，其溫度沿Z軸正向逐漸升高。

圖6 x/D=7截面uZ分布云圖(單位:m/s)

比較不同模型可以看出:同一Z軸位置處，隨著出流孔傾角的逐漸增大，覆蓋在熱側壁面上的氣膜溫度逐漸降低。這是因為出流孔傾角的增大，使得冷流穿透熱流的距離增大，冷流射入主流的距離增大;隨著出流孔傾角的增大，中心線y=0兩側的渦對中心間的距離逐漸減小，這是由于中心線y=0兩側的流體被卷吸進來擠壓中心線y= 0附近區域;隨著出流孔傾角的增大，渦對中心逐漸向Z軸正向偏移，這是由于中心線y=0兩側的流體被卷吸進來，使渦對中心被抬升;隨著出流孔傾角的增大，對渦影響的區域面積逐漸增大，發生轉動的流體微團的區域逐漸增大。

圖7 x/D=7截面速度矢量與流線分布

3.3 湍動能分布

湍動能的大小和分布在一定程度上能夠反映流體間的混合速率。圖8(a)～(e)分別給出了模型1～5中x/D=7、x/D=8、x/D=9、x/D=10和x/D=11截面上局部區域的湍動能分布。

以圖8(a)模型1為例，在x/D=7截面上，冷流沿出流孔流入主流后，靠近熱側壁面附近的區域湍動能較小，此時冷流與熱流的混合較弱;隨著與熱側壁面距離的增大，湍動能逐漸增大，冷流與熱流的摻混較強;此后，隨著與熱側壁面距離的增大，湍動能逐漸減小直至0，冷流與熱流的摻混逐漸減弱。這是因為冷流沿出流孔流入主流，在壁面附近脫離壁面流動，冷流與熱流摻混較弱。在冷流流入熱流并與熱流摻混的區域內，摻混較強，此時為摻混核心區。由于沿出流孔流入主流的冷流沿程動量逐漸減小，使得冷流穿透主流的速度和穿透距離逐漸減小，摻混逐漸減弱，在冷流與熱流接觸的區域之外，此時冷流與熱流不再發生摻混。比較不同截面可以看出:隨著x/D的增大，壁面附近流體的湍動能逐漸增大，這是由于沿出流孔流入主流的冷流，在出流孔出口處脫離壁面流動，在與主流逐漸混合過程中，流動逐漸貼緊壁面。隨著x/D的增大，摻混核心區湍動能先增大后逐漸減小，這是由于沿出流孔流入主流的冷流不斷卷吸兩側流體并與之摻混，隨后由于流動逐漸趨于平穩，摻混逐漸減弱。

比較不同模型可以看出:隨著出流孔傾角的增大，靠近熱側壁面附近區域的湍動能逐漸增大，摻混核心區的湍動能逐漸增大，摻混核心區域的面積逐漸增大。這是因為冷流沿出流孔流入主流，不斷卷吸兩側流體進入摻混核心區，加強了冷流與熱流的摻混，同時使冷熱流體摻混核心區域的面積不斷增大。

3.4 努塞爾數分布

努塞爾數是衡量對流換熱強烈程度的重要參數，其表達式為Nu=hl/λ，其中:h表示對流換熱系數(W/m2·K);λ表示空氣的導熱系數(W/m·K)。

圖9給出了模型1～5中熱側壁面上努塞爾數沿流向分布。以模型1(20°)為例，熱側壁面出流孔前緣，由于出流孔的存在，流過出流孔的冷流與壁面進行了對流換熱，強化了對流換熱，努塞爾數逐漸增大;冷流沿出流孔流入主流，并形成一層保護膜完全覆蓋在熱側壁面上，此時熱側壁面與流體對流換熱量較小，努塞爾數逐漸減小;隨后由于冷流體與熱流體不斷進行摻混，擾流柱和沖擊對流的存在強化了對流換熱，努塞爾數逐漸增大。

比較不同模型可以看出:隨著出流孔傾角的增大，努塞爾數逐漸減小。這是由于隨著出流孔傾角的增大，在出流孔出口處，沿出流孔流入主流的冷流與熱側壁面發生分離，換熱量逐漸減小。

圖8 截面湍動能分布(單位:k2/s2)

圖9 熱側壁面努塞爾數沿軸向分布

3.5 熱側壁面溫度分布

圖10(a)～(e)分別給出了模型1～5中熱側壁面上溫度分布云圖。

圖10 熱側壁面溫度分布

比較不同模型可以看出:隨著出流孔傾角的增大，出流孔附近溫度等值線逐漸稀疏，溫度梯度逐漸減小，溫度變化劇烈程度減弱;隨著出流孔傾角的增大，熱側壁面上溫度等值線逐漸向下游偏移，熱側壁面上高溫區域的面積逐漸增大，即隨著出流孔傾角的增大，沿軸向同一位置處的熱側壁面溫度逐漸升高。

綜上所述，冷流沿出流孔流入主流時，冷流與熱流摻混較強，湍動能沿程逐漸增大;隨后摻混逐漸趨于平穩，湍動能逐漸減小。隨著出流孔傾角的逐漸增大，出流孔中心線兩側的流體不斷被卷吸進來，不斷擠壓出流孔中心線上的流體，冷流與熱流的混合增強，摻混核心區的面積逐漸增大。隨著出流孔傾角的逐漸增大，沿出流孔流入主流的冷流覆蓋在熱側壁面上的溫度逐漸升高，換熱逐漸減弱，熱側壁面溫度逐漸升高。

4 結論

本文針對層板冷卻結構出流孔傾角的改變，設計了5種不同出流孔傾角的模型，在冷流流量一定的情況下，數值模擬研究了其流動和換熱特性。在本文研究條件下，有如下結論:

1)冷流沿出流孔流入主流時，冷流與熱流摻混較強，湍動能沿程逐漸增大;隨后摻混逐漸趨于平穩，湍動能逐漸減小。

2)隨著出流孔傾角的逐漸增大，出流孔中心線兩側的流體不斷被卷吸進來，不斷擠壓出流孔中心線上的流體，冷流與熱流的混合增強，摻混核心區的面積逐漸增大。

3)隨著出流孔傾角的逐漸增大，沿出流孔流入主流的冷流覆蓋在熱側壁面上的溫度逐漸升高，換熱逐漸減弱，熱側壁面溫度逐漸升高。

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(責任編輯陳 艷)

Influence of Flow Angle of Aole on Heat Transfer and Flow Characteristics of Lamilloy Configuration

YANG Lu-lu，LU Chao-yang
(College of Civil Aviation，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 211106，China)

Five different lamilloy configurations model in which the flow angle of hole were changed were designed to conjugate simulate the flow and heat transfer characteristics with fluent software，and the results were analyzed by comparison.The results showed that when the cool air flow into the mainstream along the hole of flow，cool air and hot air mix stronger and turbulence kinetic energy increases along the way.Then the mixing gradually stabilizes，the turbulent kinetic energy decreases gradually. With the gradually increase of the flow angle of hole，the fluid on the both sides of the center line of the hole is sucked in continuous，and the fluid on the center line of the hole is squeezed out in contin-uous，which enhances cool air and hot air mixing and increases the proportion of mixing core area. With the gradually increase of the flow angle of hole，the temperature of cool air which is covered on the hot side surface increases gradually，and heat transfer are weakened and the temperature of hot side surface are increased gradually.

angle;lamilloy;turbulence kinetic energy;flow and heat transfer

V231.1

A

1674-8425(2015)11-0066-07

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2015.11.011

2015-07-10

楊璐璐(1988—)，女，河南漯河人，碩士研究生，主要從事空中交通運輸規劃與管理研究。

楊璐璐，盧朝陽.出流孔傾角對層板冷卻結構流動與換熱特性的影響［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，2015(11):66-72.

format:YANG Lu-lu，LU Chao-yang.Influence of Flow Angle of Aole on Heat Transfer and Flow Characteristics of Lamilloy Configuration［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2015(11):66 -72.