基于CFX的梯形帶肋通道流動與換熱的數值模擬

任小萍，賀辛亥

（1.西安工程大學，陜西西安710048；2.西安航空職業技術學院，陜西西安710089）

基于CFX的梯形帶肋通道流動與換熱的數值模擬

任小萍1，2，賀辛亥2

（1.西安工程大學，陜西西安710048；2.西安航空職業技術學院，陜西西安710089）

采用CFX等計算流體動力學軟件，通過氣熱耦合數值模擬方法，對比分析了梯形冷卻通道和矩形冷卻通道內空氣的流動和換熱特性。

帶肋通道；冷卻結構；流動與傳熱；氣熱耦合

帶肋擾流冷卻是航空發動機渦輪葉片內部冷卻的一種主要冷卻方式。目前，國內外許多學者都對帶肋通道冷卻進行了深入的研究。Han等[1-3]對不同肋高比、肋角度、肋間距和通道寬高比等結構參數的矩形冷卻通道內空氣流動和傳熱進行了詳細的實驗研究，給出了不同結構參數下的通道內的換熱系數、摩擦系數和綜合熱力性能對比分析。Stephens[4]等對矩形通道內傾斜肋片的強化換熱效果進行了研究，表明斜置肋片能夠促使二次流漩渦的產生，且肋角度對二次流的強度影響很大。在當前已公開發表的文獻中梯形帶肋通道的研究還較少，Lesley[5]等研究了V型肋片對矩形和梯形帶肋通道內冷卻介質流動和換熱的影響，得出入口條件對矩形和梯形通道光滑壁面的換熱增強有很大的影響。陳偉[6]等采用瞬態熱敏液晶技術獲得不同雷諾數下梯形截面帶肋U型通道表面的努塞爾數分布，并與數值模擬結果進行了對比，指出通道截面的變化對傳熱系數分布影響較大，DES方法能更好地模擬梯形通道中的換熱情況。

本文采用CFX等計算流體動力學軟件，通過氣熱耦合數值模擬方法，對比分析了梯形冷卻通道和矩形冷卻通道內空氣的流動和換熱特性，為實際燃氣輪機渦輪葉片內部冷卻通道結構設計提供參考。

1 數值模型與方法驗證

1.1 計算模型及邊界條件

在實際的燃氣輪機渦輪葉片中，其內部冷卻通道可以模化為梯形帶肋冷卻通道。本文以文獻[2]的實驗通道為基礎，開展了矩形和梯形帶肋通道內空氣流動與換熱特性的數值研究，所研究的帶肋冷卻通道如圖1所示。矩形通道和梯形通道均為雙面帶肋，通道長度L=500 mm，矩形通道的截面尺寸為51 mm×51 mm，肋角度為90°，肋片高度e=2.4 mm，肋片高度與通道當量直徑之比e/D=0.047，肋間距與肋片高度之比P/e=10.梯形通道壓力面與吸力面寬度之比W2/W1=0.5，選取的肋角度有30°，45°，60°，90°，其他參數與矩形通道基本相同。

圖1 研究對象

全部計算模型均采用ANSYS ICEM進行多塊結構化網格劃分。為準確模擬通道壁面附近空氣的流動與傳熱，近壁面區域采用網格加密技術，邊界層內壁面法向方向布置不少于20個節點，以保證壁面的y+值小于1.為達到保持精確解的情況下能盡量減少計算量，降低計算資源浪費，本文進行了網格無關性的驗證研究，最終得到各計算模型的網格數量為250萬左右。

計算邊界條件與文獻[2]中實驗工況相同，通道入口根據雷諾數（10 000~30 000）給定空氣的質量流量和總溫298.3 K，出口給定靜壓1 atm，所有壁面均為無滑移壁面，換熱條件為給定均勻熱流密度2 000 W/m2.

1.2 計算結果數據處理

冷卻通道當量直徑定義為：

式中：A為冷卻通道進口橫截面積，S為冷卻通道進口濕周。

冷卻通道進口雷諾數定義如下：

圖2 雷諾數對梯形帶肋通道流動和換熱的影響

式中：U為進口速度，D為冷卻通道當量直徑，υ為進口冷氣的運動粘度。

表征內部冷卻通道壁面換熱系數的當地努賽爾數可以定義為：

式中：q為冷卻通道壁面熱流密度，Tw為通道內壁面當地溫度，Tf為參考溫度，取進出口冷卻空氣的平均溫度，λ為冷卻空氣的導熱系數。

帶肋冷卻通道的摩擦系數定義為：

式中：△P為冷卻通道進出口壓差，L為冷卻通道的長度。

強化換熱因子可以通過傳熱的強化和壓力損失來表示，其定義如下：

圖3繪出了梯形通道帶肋面強化換熱因子隨雷諾數的變化曲線。從圖3中可以看出，隨著雷諾數的繼續增大，窄面的強化換熱因子逐漸高于寬面。雷諾數從10 000增大到50 000，梯形通道寬面和窄面的強化換熱因子分別降低了59%和56%.

其中，Nu0和f0分別是具有相同當量直徑的光滑圓管內充分發展湍流的平均努塞爾數和摩擦系數。

圖3 梯形通道內強化換熱因子隨雷諾數的變化曲線

2 結果分析與討論

2.1 雷諾數對梯形通道的影響

圖2表示出雷諾數對梯形帶肋通道流動和換熱的影響。從圖2中可以看出，隨著雷諾數的增大，窄面的努塞爾數逐漸高于寬面，即雷諾數對窄面的換熱性能影響更大。雷諾數從10 000增大到50 000，梯形通道寬面和窄面的換熱系數分別提高了2.6倍和3倍，通道摩擦因子增大了18.1倍。

2.2 肋角度對梯形通道的影響

圖4所示為不同肋角度帶肋壁面努賽爾數分布云圖，從（a）到（d）依次為帶30°、45°、60°和90°肋片梯形通道的寬和窄帶肋面。從圖4中可以看出，傾斜肋片使得梯形通道壁面換熱效果明顯提高，從壁面努塞爾數分布云圖中可以看出，45°和60°梯形通道寬面和窄面的換熱效果都要好于30°梯形通道。

圖4 不同肋角度帶肋壁面努賽爾數分布云圖

圖5 繪制了梯形冷卻通道壁面平均努塞爾數、通道摩擦因子和通道強化換熱因子隨著肋角度的變化曲線。從圖5中可以看出，在所有梯形肋化通道中，帶60°肋通道的壓力損失最大，45°肋通道次之，30°和90°肋通道壓力損失基本相當。對于梯形通道的強化換熱因子，45°梯形肋化通道最高，30°梯形肋化通道較高，90°梯形肋化通道最差。經計算，45°梯形肋化通道寬面和窄面的換熱系數較90°梯形肋化通道分別提高了46.1%和53.3%，而強化換熱因子分別提高了31.3%和35.6%.

（續下圖）

（續上圖）

圖5 肋角度對梯形通道內流動和換熱性能的影響

3 結束語

本文通過氣熱耦合數值模擬方法，得到以下結論：

（1）雷諾數從10 000增大到50 000，梯形通道寬面和窄面的換熱系數分別提高了2.6倍和3倍，強化換熱因子分別降低了59%和56%，通道摩擦因子增大了18.1倍；

（2）45°梯形肋化通道壁面的換熱系數和強化換熱因子為最高，60°梯形肋化通道的壓力損失最大；經計算，45°梯形肋化通道寬面和窄面的換熱系數較90°梯形肋化通道分別提高了46.1%和53.3%，而強化換熱因子分別提高了31.3%和35.6%.

[1]Han J C，Park J S.Developing heat transfer in rectangular channels with rib turbulators[J].Int.J.Heat Mass Transfer. 1988，31（1）：183-195.

[2]Han J C，Park J S.Measurement of heat transfer and pres sure drop in rectangular channels with turbulence promoters [R].NASA-Report，1986.

[3]Park J S，Han J C，Huang Y，et al.Heat Transfer Performance Comparisons of Five Different Rectangular Channels with Parallel Angled Ribs[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，1992，35（11）：2891-2903.

[4]Stephens M A，Shih T I P，Civinskas K C.Effects of inclined rounded RIBS on flow and heat transfer in a square duct[C]. 30th AIAA Thermophysics Conference，1995：2115-2126.

[5]Lesley M.Wright and Amir S.Gohardani.Effect of the Coolant Ejection in Rectangular and Trapezoidal Trailing-Edge Cooling Passages[J].Journal Of Thermophysics And Heat Transfer，2009，23（2）：316-319.

[6]闞瑞，陳偉，任靜，等.梯形帶肋內部冷卻通道的流動及傳熱特性[J].工程熱物理學報，2010（5）：753-756.

Numerical Simulation of Flow and Heat Transfer in Trapezoidal Channel With Ribs Based on CFX

REN Xiao-ping1，2，HE Xin-hai2
（1.Xi’an Polytechnic University，Xi’an Shaanxi 710048，China；2.Xi’an Aerotechnical Polytechnic College，Xi’an Shaanxi 710089，China）

In this paper，the flow and heat transfer characteristics of the air flow in a trapezoidal channel and a rectangular channel are analyzed by means of the numerical simulation method of CFX and other computational fluid dynamics software.

ribbed passage；cooling structure；flow and heat transfer；gas and heat coupling

V235.1

A

1672-545X（2016）11-0052-03

2016-08-03

任小萍（1982-），女，陜西西安人，本科，實驗師，研究方向為機械數控理論加工研究。