高溫高速氣流沖擊下氣流擋板的換熱性能研究

王 瑾, 段文珊, 趙 凱, 趙路平

(上海理工大學環境與建筑學院,上海 200093)

高溫高速氣流沖擊下氣流擋板的換熱性能研究

王 瑾, 段文珊, 趙 凱, 趙路平

(上海理工大學環境與建筑學院,上海 200093)

在高溫高速氣流噴口后方設置傾斜氣流擋板,使氣流沿著擋板角度射入周圍環境,達到減少對周圍相關人員和設備的影響.同時為滿足對擋板的使用要求,降低擋板表面的溫度,對其換熱過程進行分析,發現擋板表面空氣層在換熱中為主要影響因素.涂層表面粗糙度和擋板頂部邊緣的銳角都會對邊界層產生擾動,進而影響換熱.采用FLUENT軟件對擋板阻擋高溫高速氣流在不同工況條件下的影響因素及其耦合特性進行數值模擬仿真研究,結果顯示,適當的涂層表面粗糙度,使傳入擋板的熱量減少3%～7%;擋板邊緣倒圓角后,頂部溫度下降10%.

氣流擋板;空氣邊界層;表面粗糙度;換熱;數值模擬

1 氣流擋板換熱影響分析

1.1 氣流擋板基本結構

氣流擋板裝置的作用是阻擋高溫高速氣流在周圍的擴散并改變氣流方向,擋板必須具有一定的結構強度和耐溫性能.氣流擋板是通過敷設在面板表面的涂層、面板和貫穿在面板內部的水道冷卻來實現整個擋板耐溫的特性,擋板結構如圖1所示.要求涂層和板面的材料耐壓、耐高溫,能夠完全承受高速氣流的噴氣推力和高溫的侵蝕.為了降低擋板的表面溫度,在面板內部設置冷卻水流道,起到了良好的冷卻作用.

圖1 傾斜氣流擋板結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of baffle

1.2 換熱影響因素分析

減少發動機噴射氣流與氣流擋板的換熱量,提高擋板內的冷卻效果,是控制好面板溫度、延長擋板的使用期的兩個方面.高溫噴射氣流和擋板間的換熱量與其換熱熱阻密切相關.發動機尾部噴射的高溫高速氣流會在氣流擋板表面形成流程短而且薄的空氣邊界層,在離壁面極近的區域內存在僅靠分子運動的導熱傳遞熱量的黏性底層[5],黏性底層之外流體旋渦將加強壁面和噴射氣流主流區之間的熱量傳遞.與噴射主流流體不同,邊界層內的流體溫度由于黏性底層的作用,沿壁面法線方向梯度較大,傳熱主要包括熱傳導傳遞的熱量和熱對流傳遞的熱量.空氣側熱阻包括對流換熱熱阻和導熱熱阻.根據氣流擋板結構,其換熱熱阻包括空氣側熱阻、涂層熱阻、面板熱阻和水側熱阻.

傾斜氣流擋板的總熱阻為R[6].

式中,ha為空氣對流換熱系數;hw為冷卻水對流換熱系數;δ為導熱熱阻厚度;λ為導熱系數;d為冷卻水道的定型尺寸;Re為雷諾數;Nu為努塞爾數; Pr為普朗特數;r為擋板表面任一處與滯止點的距離;H為噴口與擋板的距離;D為射流噴口直徑;ν為運動黏度;x為擋板特征長度;U∞為主流流體速度;下標a,w分別代表空氣和冷卻水;下標T,M分別代表涂層和面板.

在整個熱阻計算中,空氣的導熱系數和對流換熱系數較小,得到空氣側總熱阻占擋板總熱阻的96%左右,而涂層和面板導熱熱阻以及水側對流熱阻所占比率分別為2%,1%,1%.因此,板面處的空氣邊界層對擋板換熱是影響擋板換熱的主要因素.增加空氣側熱阻,可以有效地控制噴射氣流和氣流擋板之間的換熱量.由于氣流擋板表面的耐溫涂層存在一定粗糙度,對擋板表面的氣流黏性底層影響很大,高溫高速氣流沖擊面板時受表面粗糙度的影響,使噴射氣流的空氣邊界層厚度產生變化,從而影響氣流擋板空氣側熱阻;同時,當氣流平穩地沿板面流動時,板面頂部邊緣90°的直角也會對氣流擋板的空氣邊界層造成很大擾動.本文通過數值模擬的方式來分析表面粗糙度和傾斜擋板頂部倒角對傾斜氣流擋板的板面空氣邊界層的影響,進而研究氣流擋板的換熱耐溫性能.

2 高溫高速氣流沖擊擋板的數值模擬

2.1 建立物理模型和求解方程

高溫高速氣流沖擊傾斜擋板示意如圖2所示,以其整場作為計算域,設定噴口直徑為1 m,噴口中心距擋板表面為3 m,擋板大小為5 m×4 m,氣流擋板與氣流沖擊方向呈45°夾角,Y軸與擋板平面呈45°,垂直向上,Z軸與X軸構成水平平面,Z軸與氣流流入方向相反,X軸與冷卻水流入方向相反.

圖2 沖擊射流示意圖Fig.2 Schematic diagram of jet impingement

采用前處理軟件Gambit進行幾何建模并劃分網格.為提高網格質量及計算求解的準確性,表面涂層、擋板本體、冷卻水道及擋板后區域均采用六面體結構性網格劃分;氣流擋板前部區域均采用T-Grid網格劃分;并采用線、面、體的順序依次對計算模型進行網格設置,對擋板表面的空氣邊界層處網格局部加密,保證第一個計算節點在y+＜5內.y+是第一層網格質心到壁面的無量綱距離,保證第一層網格劃分在層流底層內部.

Navier-Stokes方程能精確描述射流的流動和傳熱問題[7].

射流沖擊湍流模型采用SST k-ω模型[8],可直接求解近壁空氣邊界層處的流動和傳熱問題.計算采用有限體積法離散控制方程,并用SIMPLE算法處理壓力與速度之間的耦合.

2.2 邊界條件的設定

射流側和循環冷卻水側均采用速度入口條件,給定入口處的速度和溫度;內部冷卻水沿-X軸向流入氣流擋板,均勻流動,定義冷卻水初始溫度為32℃,速度為1.5 m/s;出口采用壓強出口條件;計算區域的上部、后部以及兩個側面與大氣相通的面均設定為壓力出口;地面設定為固定無滑移壁面條件.

3 模擬結果及分析

采用FLUENT軟件對高溫高速氣流沖擊傾斜擋板在不同工況條件下進行瞬態數值模擬計算.由于噴氣式發動機噴口的作用,整個傾斜擋板周圍的氣流流場均呈現為高溫高速狀態,選用噴氣式發動機的2種工況進行研究,工況1的發動機噴口氣流溫度為800℃,噴口中心氣流速度為500 m/s;工況2的發動機噴口溫度同為800℃,氣流速度達到1 000 m/s.而氣流擋板所能承受的材料表面溫度不宜超過480℃.氣流噴射過程中,噴射氣體沿噴出方向的溫度衰減很大,氣流各組分氣體的物性參數值隨著溫度的變化而波動.如圖3所示,在模擬時對氣流的物性參數設定中,根據氣體的燃氣組分和溫度變化范圍,采用最小二乘法擬合曲線,使這些求得的數據與實際數據之間誤差的平方和為最小,由此獲得氣流比定壓熱容cp、動力黏度μ等作為物性參數的輸入數據.

圖3 物性參數與溫度的擬合關系曲線Fig.3 Fitting curve of cpandμversus temperature

圖4 擋板表面熱流密度和溫度分布云圖Fig.4 Contours of heat flux and temperature on surface of baffle

發動機在2種工況下工作3 min時,噴口對傾斜擋板沖擊射流以及擋板整體換熱情況如圖4所示(見下頁),整束氣流到達擋板后大部分沿板面折射向上流動.擋板中心處氣流駐點區的空氣邊界層非常薄,隨著氣流沿板面Y軸正向流動的過程中,流態充分發展,擾動增加,在擋板上半部分的熱流密度q逐漸增多.在擋板頂部存在局部高溫現象,在工況1下氣流擋板的頂端局部最高溫度T約為495℃,在工況2下可達533℃,均高于材料能夠承受的480℃.為了延長氣流擋板的工作壽命,改變涂層表面粗糙度和氣流擋板頂部邊緣尖角,可有效降低擋板表面溫度和改善氣流擋板的換熱性能.

3.1 表面粗糙度

當發動機尾部噴出的高溫高速氣流流過擋板,板面的空氣邊界層隨著氣流流過方向逐漸加厚,涂層表面粗糙度會對空氣邊界層的穩定性造成影響,進而影響裝置的換熱性能.李軼名等[9]選取粗糙元高度為3.2 mm的涂層,通過實驗表明,二維單一粗糙元在流向上使層流提前向湍流轉變,對轉捩有促進作用;Sharif等[10]分析了表面粗糙度對射流沖擊凸狀半球的對流熱傳遞的影響,認為在物體表面設置粗糙度后會增強換熱;Carolyn[11]認為邊界層厚度為一常數,指出粗糙度與邊界層厚度的比值會影響流體的分離.本文以光滑壁面為參考,垂直于壁面的氣流速度U如圖5所示,在工況1下,主流流體速度U∞約450 m/s.在2個發動機工況下,氣流自滯止點沿板面向上流動1 m處的邊界層厚度δ99分別約為2,3 mm,即在較小速度沖擊擋板時,在板面形成的空氣邊界層較厚.在工況2下,氣流雷諾數較高,流體緊貼壁面處速度梯度較大,U∞約為850 m/s.

圖5 垂直于壁面的氣流速度分布Fig.5 Airflow velocity distribution in the direction perpendicular to the surface

發動機在2種工況參數下沖擊傾斜擋板3 min時,在擋板表面形成的邊界層厚度不同,在工況1下取涂層表面粗糙度K分別為1 000,200,150, 100μm,在工況2下取K分別為100,50,25,10, 1μm進行瞬態模擬計算.

如圖6(a)和6(b)所示,在邊界層內部垂直于壁面處的氣流速度沿邊界層厚度δ增加的方向,先逐漸增大,后趨于平緩.工況1時,不同粗糙度下的氣流速度基本一致.工況2時,涂層表面K=50, 100μm時的垂直于壁面處的氣流速度大小基本相同,明顯低于其它K值下的流速,且涂層表面K= 1,10μm時的氣流速度大小也基本相同.在發動機工況2較高的氣流流速條件下,隨著板面粗糙度的增大,對邊界層內空氣流動產生的粘性阻力亦隨之增加,近壁面處的氣體流速由于受到粘性力的影響而逐步減小.由于在工況2下,發動機噴口氣流的流速高于工況1的,在擋板表面形成的邊界層厚度較薄,故粗糙度大小對近壁面處空氣邊界層流動影響較明顯.

同時,垂直于壁面氣流的湍流強度I如圖6(c)和6(d)所示,隨著網格點靠近主流區域氣流的湍流強度先增加后減小.在工況1下,不同粗糙度對邊界層內氣流的湍流強度影響不大.在工況2下,K= 100,50μm時湍流強度基本相同,高于其它較小粗糙度,K=1,10μm時湍流強度最小.因此,隨著粗糙度的增大,邊界層內速度梯度有減緩趨勢,但是,擋板表面越粗糙,對氣流的擾動作用越強.當涂層表面粗糙元處于邊界層內部時,能夠增加邊界層內部流場粘性力[12],保持流動的穩定性,延緩流動由層流向湍流的轉變.隨著粗糙度的增加,空氣邊界層逐漸變厚,氣流流動易受到粗糙元的影響而形成擾動,加速了流態轉捩,進而破壞邊界層的穩定,增強了換熱效果.

圖6 不同粗糙度下垂直于壁面的氣流分布Fig.6 Airflow parameters trends in the direction perpendicular to the surface under different roughness

高溫高速氣流沿板面向上流動時,沿Y軸正方向的氣流近板面流速變化如圖7(a)和7(b)所示(見下頁).氣流在傾斜擋板表面邊界層內的流速從滯止點沿板面Y軸正方向先逐漸增大,后有減小趨勢,粗糙度大小依舊對工況1下的沿板面流速影響不大.在工況2下,K在小數值時,氣流沿擋板的流速大小基本一致,超過K=10μm后,隨著粗糙度增加,對氣流流動產生更多的阻力,使流速逐漸降低,當K=50μm時,流速最小,再增加粗糙度,流速已不再變化,這與邊界層內垂直于板面的速度變化規律相符.

粗糙度的增加會減小板面氣流的流動速度,進而減少對流換熱,但是,粗糙度不能一味增大,這樣邊界層內流動的穩定性也會受到破壞.從圖7(c)和7(d)(見下頁)可以看出,氣流在傾斜擋板表面的熱流密度從滯止點沿板面Y軸正方向先逐漸增大,后逐漸減小,與沿板面速度變化趨勢一致.在工況1下,不同粗糙度下板面的熱流密度區別不明顯.在工況2下,滯止點處在粗糙度較小時,熱流密度較大,隨著氣流流動穩定,在K=50～100μm時傳入擋板的熱流密度趨于穩定,傳入擋板的熱量最多.而當K=10μm時傳入擋板的熱量最少,比K≥50μm時減少了近7%.因此,可以認為在此工況下,粗糙度為10μm時可以阻隔更多的熱量.

擋板表面溫度與熱流密度的分布相一致,如圖7(e)和7(f)所示,當K=10μm時擋板表面溫度最低,相比K=1μm時的下降了4℃,相比K= 25μm時下降了5℃,相比K=50,100μm時的下降了10℃.

圖7 不同粗糙度下沿擋板表面氣流參數的變化趨勢Fig.7 Airflow parameters trends along the baffle surface under different roughness

3.2 擋板頂部邊緣倒角

當氣流流過擋板邊緣,由于頂部邊緣處為90°的直角,破壞了流體流線,對空氣邊界層造成擾動,增強了換熱效果,擋板頂部在高溫高速流體的作用下出現了局部高溫.如果在擋板頂部設置一個5 mm半徑的圓角,使氣流脫離擋板時沿圓弧流線進入周圍環境.如圖8所示,使氣流剛到達擋板頂部時溫度迅速升高,在流動穩定后溫度有所下降并趨于平緩.在工況1下,擋板溫度穩定時,在設置圓角后擋板頂部溫度為424℃,改變結構前為473℃.在工況2下,在設置圓角后擋板頂部溫度為487℃,改變結構前為536℃.雖然在氣流沖擊擋板過程中擋板頂部溫度短暫的超過允許溫度,但是,瞬時效應短暫,考察穩定后的參數值滿足材料要求.因此,將擋板頂部直角倒角后,降溫效果明顯.

綜上所述,適當的擋板表面粗糙度和改變擋板頂部直角狀態對減弱高溫高速流體沖擊擋板和射流換熱效果明顯,擋板頂部局部最高溫度降低50～60℃,有效地將氣流擋板的溫度控制在擋板材料許用溫度范圍內,滿足了氣流擋板在高溫高速噴射氣流沖擊下的使用要求.

圖8 擋板頂部溫度隨時間變化趨勢Fig.8 Temperature trend varying with time at the top of baffle

4 結 論

通過對高溫高速氣流沖擊傾斜氣流擋板換熱的影響因素進行分析,得出以下結論:

a.高溫高速氣流噴射傾斜氣流擋板時,在擋板涂層表面處形成的空氣邊界層是影響氣流擋板換熱性能的主要因素.而氣流擋板涂層表面的粗糙元對整體板面空氣邊界層的穩定性起了關鍵性作用,同時擋板邊緣的直角對氣流擋板頂部局部空氣邊界層的厚薄產生較大影響.

b.由于噴氣式發動機工況不同,工況1氣流沖擊速度較低,在氣流擋板板面形成的空氣邊界層較厚,因此,換熱性能受到粗糙度的影響較小;工況2氣流沖擊速度增加,在氣流擋板表面的空氣邊界層較薄,粗糙度的變化對氣流擋板的換熱性能有較大影響.通過模擬分析,在K=1～100μm的粗糙度范圍內,粗糙度為10μm時阻隔的熱量最多,使氣流擋板板面整體溫度下降近10℃,傳入氣流擋板的熱流密度減少7%.

c.在傾斜氣流擋板頂端邊緣將直角改為5 mm半徑的圓角后,高溫高速氣流沿氣流擋板頂部圓弧流線進入周圍環境,避免了氣流經過邊緣直角造成的空氣層擾動,無論工況1或工況2,氣流擋板頂端局部最高溫度均下降50～60℃.

[1] 陶世森,董積旖,宗培.跨聲速射流沖擊對擋板作用特性的模擬分析[J].江蘇科技大學學報(自然科學版), 2013,27(4):312-316.

[2] 葉純杰,范俊生,潘紅良.傾斜射流對移動平板表面紊動和傳熱特性的影響[J].動力工程學報,2012,32 (4):315-320.

[3] 陳慶光,徐忠,張永建.湍流沖擊射流流動與傳熱的數值研究進展[J].力學進展,2002,32(1):92-108.

[4] 陳慶光,王濤,吳玉林,等.三維湍流沖擊射流流動與傳熱特性的數值研究[J].空氣動力學學報,2006,24 (2):227-232.

[5] 生井武文,井上雅弘.粘性流體力學[M].伊增欣,譯.北京:海洋出版社,1984.

[6] 楊世銘,陶文全.傳熱學[M].4版.北京:高等教育出版社,2006.

[7] 陸昌根,趙玲慧,沈露予.局部擾動對平板邊界層流動穩定性影響的研究[J].空氣動力學學報,2012,30 (1):63-67.

[8] E?a L,Hoekstra M.Numerical aspects of including wall roughness effects in the SST k-ωeddy-viscosity turbulence model[J].Computers and Fluids,2010,40 (1):299-314.

[9] 李軼明,顏大椿.二維單一粗糙元對邊界層轉捩影響的實驗[J].北京大學學報(自然科學版),2005,41 (1):70-75.

[10] Sharif M A R,Ramirez N M.Surface roughness effects on the heat transfer due to turbulent round jet impingement on convex hemispherical surfaces[J].Applied Thermal Engineering,2013,51(1/2):1026-1037.

[11] Aubertine CD,Eaton J K,Song S.Parameters controlling roughness effects in a separating boundary layer[J]. International Journal of Heat and Fluid Flow,2004,25 (3):444-450.

[12] 張春平,唐大偉,曲偉,等.粗糙度對細微通道內流動特性影響的實驗研究[J].上海理工大學學報,2008, 30(1):55-58.

(編輯:石 瑛)

Heat Transfer at High Temperature and High Speed Airflow Jet Impinging on Baffle

WANGJin, DUANWenshan, ZHAOKai, ZHAOLuping
(School of Environment and Architecture,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

An oblique baffle was set behind the high temperature and high speed airflow nozzles in order that the air can flow along the baffle into the surrounding environment to decrease the affection around relevant personnels and equipments.For ensuring the use of the baffle,the heat transfer was analyzed and it was found the air layer on the baffle surface is the dominant factor. And the boundary layer stability is affected by the surface roughness and the baffle top edge angle. The influencial factors and their coupling characteristics under different operating conditions were studied by using the software FLUENT.The results show that the proper coating surface roughness can reduce the heat flux by 3%～7%,and the temperature of top surface of baffle by 10%.

airflow baffle;air boundary layer;surface roughness;heat transfer;numerical simulation

TK 124

A

2014-04-30

上海市教委重點學科資助項目(J50502)

王 瑾(1955-),女,副教授.研究方向:制冷空調工程研發與節能.E-mail:wjljh2003@163.com系列的研究,陶世森等[1]對跨聲速理想膨脹射流沖擊的角度、射流距離與噴口直徑比進行了模擬分析,得到了最佳射流角度和射流距離;葉純杰等[2-3]對用于湍流射流沖擊的不同數值方程的使用效果進行了探討;陳慶光等[4]研究了矩形噴口沖擊射流的氣流流動和傳熱特性.研究主要集中在噴管射流特性及噴管射流和氣流擋板之間的關系等,而對氣流擋板的熱力性能的研究比較少見.為了保證氣流擋板的工作可靠性,延長其使用期限,必須保證氣流擋板的耐高溫性,因此,需對擋板的結構特點以及噴射氣流特性對換熱的影響進行分析,以指導氣流擋板設計.

1007-6735(2015)01-0023-07

10.13255/j.cnki.jusst.2015.01.005

噴氣式發動機的大尺寸噴管噴出的高溫高速氣流會對其周圍的人員與設備造成很大影響,為改變以上狀況,采用擋板阻擋,改變其氣流方向,使高溫高速氣流沿著擋板板面某一角度方向向上進入空氣環境中,以達到保護周圍人員與設備的目的.

目前對噴管射流沖擊傾斜擋板的現象進行了一