阵列冲击冷却传热特性数值研究

2. 计算模型
阵列射流冲击冷却计算模型见图 1 所示，计算模型包括流体区域和固体区域，流体区域由稳流腔、 冲击孔及冲击腔组成，固体区域由冲击面及冲击靶面面板等组成。冲击孔径 D 为 1.5 mm，冲击孔数为 3 × 8，冲击孔间距为 X=n Y=n 4D ，整个流体通道长 48 mm，宽 36 mm，冲击腔间距为 Z/D = 1，冲击孔 板厚 1.2 mm。
Figure 3. Heat transfer coefficient distribution on impact target surface when Re = 20,000 图 3. Re = 20,000 时，冲击靶面上换热系数分布
DOI: 10.12677/mos.2020.93026
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建模与仿真
程闻笛，王娟平 (b)
(c)
Figure 1. Calculation model. (a) The names of the parts of the model; (b) Target surface; (c) Compute the domain and boundary conditions 图 1. 计算模型。(a) 模型各部分名称；(b) 靶面；(c) 计算域与边界条件
摘要
为了探索对热端部件的高效冷却方式，本文通过数值计算对阵列冷却结构的换热特性进行了研究。首先，
文章引用: 程闻笛, 王娟平. 阵列冲击冷却传热特性数值研究[J]. 建模与仿真, 2020, 9(3): 241-263. DOI: 10.12677/mos.2020.93026
程闻笛，王娟平
对五种增强冲击靶面冷却换热效果的因素分别进行研究，其次，将这五种强化传热因素结合起来研究冲 击靶面的换热强度。计算结果表明提高靶面的冲击雷诺数，选择合理的冲击孔径及冲击间距，设定左右 两侧出气方式，增加气膜出流孔结构都可以相应提升冲击靶面的换热强度，其中，以冲击雷诺数及冲击 孔径影响最大；将高雷诺数、冲击孔径、冲击间距、左右两侧出气方式及气膜出流孔五种因素结合起来， 可以实现整体大幅度提升靶面的冷却换热效果。
Keywords
Numerical Calculation, Array Cooling, Heat Transfer Characteristics, Impact Target Surface
阵列冲击冷却传热特性数值研究
程闻笛，王娟平
宝鸡文理学院机械工程学院，陕西 宝鸡
收稿日期：2020年7月27日；录用日期：2020年8月7日；发布日期：2020年8月14日
Open Access
1. 引言
阵列冲击冷却是燃气透平叶片内部广泛使用的冷却方式，具有传热效果好、冷却气体用量小的特点 [1] [2] [3]，有研究学者认为，在诸多冷却方式之中，冲击冷却是提高局部换热效果最有效的方式[4] [5]， 能高效地解决发动机涡轮叶片内部热端结构存在温度过高的问题。目前，将冲击冷却与其它一种或多种 冷却方式结合，充分将各种冷却方式的优点结合起来，以达到对透平叶片高效冷却的目的，是近年来的 研究重点[6] [7] [8] [9]。由于透平叶片前缘最先受到主流燃气的冲击烧灼[10]，往往会产生过高的温度， 目前普遍使用冲击冷却与气膜冷却相结合的方式对此区域进行有效冷却[11]，本文通过数值计算方法运用 阵列冲击冷却结构对冲击冷却与气膜冷却进行充分研究，验证多种影响靶面换热强度的因素，将二者的 冷却潜能充分挖掘出来，实现对热端部件的高效冷却。
的预测，因此，本文使用 ANSYS Fluent 软件中的 Transition k-kl-omega 湍流模型。 研究中使用 Fluent Solver 作为求解器，使用 SIMPLE 算法，离散格式为二阶迎风格式。 收敛标准为迭代残差值小于 10−5。
3.4. 参数定义
在冲击冷却实验研究中，冲击雷诺数往往用来表示射流冲击靶面的强度，冲击雷诺数定义为
3. 计算方法
3.1. 网格无关性验证
计算模型网格生成采用结构/非结构混合网格， y+ < 1 ，最初研究中进行了网格无关性验证，以冲击 靶面努塞尔数 Nu 为衡量指标，发现当网格数达到 252 万时，计算结果变化趋于稳定，如图 2 所示，所以， 在研究中使用 252 万网格量。
3.2. 控制方程
以张量形式表示的流动控制输运守恒方程(连续性、动量和能量)如下：
关键词
数值计算，阵列冷却，换热特性，冲击靶面
Copyright © 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0). /licenses/by/4.0/
Received: Jul. 27th, 2020; accepted: Aug. 7th, 2020; published: Aug. 14th, 2020
Abstract
To explore efficient cooling methods for hot-end parts, the heat transfer characteristics of array cooling structures are studied by numerical calculation. Firstly, five factors that enhance the cooling and heat transfer effect of impact target surface are studied respectively. Secondly, the heat transfer intensity of impact target surface is studied by combining these five factors that enhance heat transfer. The calculation results show that increasing the impact Reynolds number of the target surface, selecting a reasonable impact aperture and impact spacing, setting the air outlet modes on both sides, and increasing the structure of air film outlet holes can enhance the heat transfer intensity of the impact target surface. Among them, the impact Reynolds number and impact aperture have the greatest impact. By combining the five factors of high Reynolds number, impact aperture, impact distance, air outlet mode on both sides and air film outlet hole, the cooling and heat transfer effect of the target surface can be greatly improved.
4.1. 阵列冲击冷却结构流动与换热特点
以 Re = 20,000 为例来分析阵列冲击冷却结构的流动与换热特点。 首先，对冲击靶面上的换热系数分布进行分析，换热系数用无量纲换热系数 Nu 来表示，计算结果如
DOI: 10.12677/mos.2020.93026
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建模与仿真
程闻笛，王娟平 图 3 所示，靶面最左侧的换热系数分布呈现单孔冲击冷却的特征，射流冲击区域最中间驻点换热系数较 低，这是因为驻点区域存在很薄的层流且流动状态很稳定，之后紧邻驻点区域的壁射流区内开始出现层 流向湍流流动转捩使得此区域传热效果明显增强。冲击射流受主流横向流的影响，向下游偏转的程度越 来越大，射流冲刷靶面的位置向下游偏移，使得靶面高传热区域向下游移动呈现明显的头部和尾部形状。 在靶面中间上游部分可以看到冷却传热效果增强很快，这是由于射流冲击冷却和横向流对流传热共同叠 加的结果，射流冲击强度略有减小，而横向流明显增强使得对流传热加强。一般来说，横向流对冲击气 流往往存在着阻碍作用，使其不易抵达冲击表面，从而减弱冲击冷却的传热效果，横向流越大这种阻碍 作用也就越明显，横向流的存在往往也能增强靶面换热效果，但它提升传热强度要弱于冲击冷却。靶面 中间下游传热效果开始有较小的增强，然后基本保持不变，这是由于横向流越来越大对冲击冷却的阻碍 作用逐渐增大，导致冲击冷却效果减弱，但是横向流大幅增加且流速高，使得对流传热显著增强，两者 综合作用冲击靶面上的传热效果变化不大。图 4 为冲击靶面上的温度分布，可以发现换热系数越高的区 域，温度分布越低。
∂ ∂ xi
( ρui
)
=
0
(1)
( ) ( ) ρ ∂ ∂x j
uiu j
= − ∂p ∂xi
+
µ
∂ ∂x j
∂ui ∂x j
+
∂u j ∂xi
−
2 3
∂ui ∂x j
δij
−
ρ
∂ ∂x j
ui′u′j
(2)
∂ ∂xi
ui
(ρE
+
P )=
∂ p ut Prt
∂T ∂xi
+ µeff ui
∂ui ∂x j
+
∂u j ∂xi
−
2 3
∂ui ∂x j
δij
(3)
式中： i, j = 1, 2,3 ——对应空间正交直角坐标 x，y，z；u——气流速度，m/s； ρ ——气流密度，kg/m3； T——温度，K；P——压强，Pa； µ ——气体分子动力粘度系数，Pa·s；k——湍流动能，J。