填充比对层板结构换热特性影响规律研究

韩乐，常海萍，丁阳，孙启超，徐磊

（南京航空航天大学能源与动力学院，南京 210016）

填充比对层板结构换热特性影响规律研究

韩乐，常海萍，丁阳，孙启超，徐磊

（南京航空航天大学能源与动力学院，南京 210016）

韩乐（1986），男，在读博士研究生，研究方向为传热与传质。

针对3种层板冷却结构，通过改变填充比得到了其冷却效率。数值模拟和计算分析发现，随着填充比的增大，绕流柱面及靶面的对流换热能力变化很大，进气板面及进出气孔壁的对流换热能力变化较小，层板结构的冷却效率单调增大。试验结果表明：在层板设计中，应适当增大填充比来获得较优的换热特性。

层板；填充比；换热特性；冷却效率；数值模拟；试验验证

0 引言

作为1种新型冷却技术，层板冷却具有冷气消耗量少、冷却效率高等优点，是目前国内外航空发动机高温部件冷却方式的研究热点。冷气在层板内部的细小通道内流过并吸收热量，然后从气膜孔流出。层板内部有很大的换热面积，细小通道内有很高的换热系数。层板冷却集气膜、冲击和对流冷却形式于一身，可以承受更高的工作温度，增大温度裕度。填充比是影响层板冷却结构换热特性的重要参数，是影响层板换热的关键因素之一。

本文通过数值模拟和计算分析，开展了填充比对层板换热特性影响的数值研究。

1 数值模拟

1.1 物理模型和计算网格

以圆型绕流柱为例，流体由进气孔进入，出气孔流出，出气板下表面为加热面，如图1所示。其中，进气孔孔径为2 mm，出气孔孔径为1.6 mm，进气板、出气板及其中间区域厚度均为2.4mm，边长均为8mm。

图1 层板计算模型

根据文献[1-2]设计了3种绕流柱层板结构，如图2所示。图中，空心圆代表进气孔，带阴影的代表绕流柱，黑色的代表出气孔。通过改变绕流柱的体积大小，从而改变层板结构的填充比，且在填充比变化过程中，各绕流柱的体积均同时增大或减小。由于受几何条件的限制，填充比最大仅能达到52.58%左右，否则会产生干涉或者由于流体域过小而无法产生网格。

层板模型计算固体域及流体域如图3所示。从图中可见，计算时固体区域包括进气板、出气板及绕流柱部分；流体区域包括进、出气孔及进出气板之间的空腔。所有网格均采用结构化，并对近壁区进行网格加密。

图23 种层板模型（圆型、雪花型、正方型）绕流柱排列

图3 层板模型计算固体域及流体域

1.2 控制方程和湍流模型

本文采用的计算软件为CFD商业软件FLUENT 6.3。湍流模型采用Realizable k-ε模型，相关研究结果表明，该模型对于旋转流动、强逆压梯度的边界层流动、流动分离和二次流有很好地表现。

计算采用分离隐式求解器进行稳态计算；近壁处采用增强壁面处理方式；对流项采用2阶迎风格式；能量方程无热源；忽略气体与壁面之间的辐射作用；残差收敛精度小于1×10-5，且监视加热面平均温度不再变化。

1.3 边界条件及计算工况

模型进口为流量进口，为5×10-5kg/s，雷诺数为1580，温度为300K；出口采用压力出口，加热面热流量为5×104W/m2，所有侧面定义均为对称性边界条件。

填充比的定义为δ=Vr/Vz，其中Vr为绕流柱的总体积；Vz为进出气板之间的空腔体积与绕流柱总体积之和。填充比表征了层板冷却结构中间体的填充程度，取值范围见表1。

表13 种几何结构的填充比取值范围

2 计算结果及分析

2.1 计算结果

衡量层板冷却结构换热特性的好坏采用换热效率

3种层板模型换热特性计算结果如图4所示。从图中可见，3种层板结构的换热效率均随着填充比的增大而单调增加。

图4 层板模型换热特性计算结果

2.2 结果分析

对于层板结构，由加热面传递的热量从5处壁面传递给流体，分别为靶面、绕流柱面、进气板面、进气孔壁与出气孔壁，壁面温度均高于附近流体温度，如图5所示。

由于本文所研究的是填充比对层板结构换热特性的影响，而在相同填充比、相同几何结构下的不同换热面的面积（除靶面与进气板面外），以及在相同几何结构下的相同换热面在不同的填充比下的面积（除进气孔壁与出气孔壁外）均差距较大，所以，判断某个面的对流换热能力时，不应单纯采用对流换热系数，应同时考虑换热面积对其总换热特性的影响。

图5 层板结构温度分布

由对流换热公式Q=hAΔT可知，hA=Q/ΔT，hA的物理意义为对流换热热阻的倒数，单位为W/K，表征了某个对流换热面的对流换热能力的大小。hA越大，则对流换热热阻越小，其对流换热能力越强；反之亦然。其综合考虑了h与A对壁面换热特性的影响。在3种结构下，5处壁面的hA随着填充比的变化如图6所示。

图6 层板模型5处壁面hA值随填充比的变化

从图6中可见，随着填充比的增大，3种层板模型的绕流柱面的hA值明显增大，靶面的hA值有所减小，而进气板面和进出气孔壁的hA值基本不变，且绕流柱面hA值的增大幅度远大于靶面hA值的减小幅度。结果表明，随着填充比的增大，绕流柱面的对流换热能力明显增强，原因在于其换热面积的大幅度增加；靶面对流换热能力有所减弱，原因在于其换热面积的减少。

由上述hA随填充比的变化情况，造成了5处壁面所传递的热量随填充比的变化。在3种结构下，此5处壁面传递热量随着填充比的变化如图7所示。

从图7中可见，随着填充比的增大，绕流柱面传递的热量大幅增加而靶面大幅减小，进气板面以及进出气孔壁传递的热量变化很小。

图7 层板模型5处壁面传递热量随填充比的变化

3 试验验证

3.1 试验装置

层板单元换热特性试验的气路系统如图8所示。在试验中，气体从压气机出来，先经过储气罐稳流，然后通过浮子流量计进入试验段，在风洞中稳压，通过进气孔形成冲击射流，对层板试验件内壁进行冲击，最后通过出气孔排出。通过压气机提供稳定的气源，阀门控制气体流量，流量计测量体积流量。

图8 试验气路系统

3.2 试验段

试验段的装配结构如图9所示。在胶木法兰a、c中的对应位置打有一定数量的通孔，以保证气路的通畅及热电偶的导出。

在试验中为了方便试验数据的测量，本文研究的层板结构由出气板试验件、进气板试验件、绕流柱及肋板组成。为了测量出气面的平均温度，出气板试验件的材料为导热率高的紫铜。出气板与进气板的装配方式如图10所示，在试验件之间涂导热硅胶以增强导热效果。

图9 试验段装配结构

图10 出气板与进气板装配

本试验选取如图3所示的圆型绕流柱为试验对象，试验件取9个计算单元，填充比取3.14%和12.56%。试验采用康铜膜加热膜在出气板侧加热，用热电偶测量温度，热电偶测点如图11所示。

图11 试验件结构

3.4 试验结果与分析

进气雷诺数Re与换热努塞尔数Nu定义为

式中：u为进气孔进口速度；dn为进气孔直径；μ为空气的动力黏性系数；h为平均对流换热系数；λ为空气导热系数；A为进气孔截面积总和；m˙为通过进气板的质量流量。

本文出气板材料使用了导热系数很高的紫铜，可认为加热壁面温度Tw与靶面温度T相同。在Re及气体物性相同的条件下，由上式可知，Nu与换热效率ηi成正比。

由于Nu与换热效率ηi成线性对应关系，而ηi在试验中不易测得，故试验采用Nu为评价标准。在填充比3.14%与12.56%时，圆型绕流柱靶面Nu随Re的变化关系如图12所示。从图中可见，随着Re的增大，Nu单调增大。在各相同Re下，填充比δ=12.56%时的Nu均大于δ=3.14%时的。这与计算结果相符，验证了计算结论的正确性。

图12 不同填充比下Nu随Re的变化

4 结论

通过数值计算，得到了3种层板冷却结构下，填充比对层板结构换热特性的影响规律，并通过试验验证可知：

（1）随着填充比的增大，3种层板结构的换热效率不断增大。

（2）层板换热效率随着填充比的增大而增大，可归因于其总的对流换热能力的增强。

[1]吕品，李海旺，陶智，等.绕流柱分布对层板流阻和换热性能的影响[J].航空发动机，2007，33（3）：28-31.

[2]全栋梁，刘松龄，李江海.层板冷却结构传热优化数值模拟研究[J].西北工业大学学报，2004，22（6）：816-820.

[3]全栋梁，李江海，刘松龄.雪花型层板结构冷却特性的数值模拟研究[J].热科学与技术，2004，3（1）：55-59.

[4]朱惠人，许都纯.不同直径及形状的短绕流柱群的流阻及换热[J].航空动力学报，2002，17（2）：246-249.

[5]Chiyuki Nakamata.Local cooling effectiveness distribution of an integrated impingement and pin fin cooling configuration[J]. Journal of the Gas Turbine Society of Japan，2006，34（5）：363-368.

Study on Effect of Filling Ratio on Heat Transfer Characteristics in Laminated Structure

HAN Le,CHANG Hai-ping,DING Yang,SUN Qi-chao,XU Lei
（College of Energy and Power Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China）

Aiming at three kinds of laminated structure,the cooling efficiency was obtained by changing the filling ratio.The numerical simulation and calculation analysis show that as the filling ratio increased,the convective heat transfer capacity of the flow varied greatly around a cylinder and the target surface,varied slightly around the plate surface and inlet and outlet holes wall,and the cooling efficiency of the laminated structure increased monotonically.The experimental results show that filling ratio should be appropriately increased to get better heat transfer characteristics in the laminated structure design.

laminated structure;filling ratio;heat transfer characteristic;cooling efficiency;numerical simulation;experimental verification

2011-03-16