带出流及横流通道内斜冲击射流换热特性研究

• 作 者: 阎畅
• 机 构: 西北工业大学
• 出 处: 东北电力大学
• 发表日期: 2007年期
• 关键词: 换热系数 冲击冷却 漩流 横流 抽吸 数值模拟

射流冲击表面具有很强的对流换热效果，因而被广泛应用于高性能航空发动机高温部件的内部冷却设计，特别是涡轮叶片的前缘和中弦区。而在涡轮叶片中弦区由于结构的限制，往往采用斜冲击内冷通道表面进行强化换热，这样不仅利用了冲击强化换热的特点，同时由于斜冲击在通道内部又形成了漩流流动，有利于提高通道内其他表面的换热效果，基于这个背景，本文设计了梯形带横流、抽吸及斜冲击的内冷通道模型，本文采用实验研究和数值模拟相结合的方法重点研究了斜冲击靶面及抽吸孔板面的换热特性，有关其他内表面在漩流效应影响下的强化换热的特性，将陆续进行研究。
在对冲击横向出流比、侧壁抽吸比、射流雷诺数及射流入射角度对冲击靶面及抽吸孔板面的换热特性的影响进行系统的实验和数值计算研究后，主要有以下结论：
首先，对射流冲击靶面，射流使得靶面的不同区域换热性能有很大差异，横流对靶面，特别是靶面下游区的换热性能有重要影响。横流使得靶面换热效果降低，但降低的幅度随横向出流比增加而减小；在同一雷诺数下，横向出流比对靶面沿射流方向平均换热系数影响的规律一致；射流角度的增加使得横流的强对流换热作用加强。
其次，对侧壁抽吸孔板面，侧壁出流的抽吸作用及通道中上部的旋流对侧壁抽吸孔板的换热性能有很重要的影响。抽吸比的降低使得侧壁板的换热性能减弱；随着雷诺数的增加，板面换热效果有明显的增强，但增加的幅度随雷诺数的增加而减小；射流角度的增加使得小射流形成的壁面射流及通道旋流对板面的强换热作用减弱。
最后，通过与试验结果和对比，数值模拟结果表明：靶面上换热强度的高低与气流速度的大小和方向有关，侧壁出流的抽吸使得边界层厚度减小，强化了对流换热，本文采用的数值模拟方法可以对靶面和侧壁面换热特性进行预测，但计算结果与实验结果存在一定的偏差。