高宽比对旋转微小通道内综合换热效果的影响

高宽比对旋转微小通道内综合换热效果的影响
作者：余毅
来源：《科学导报·学术》2020年第16期
摘 ;要：利用数值模拟的方法，研究了旋转状态下高宽比变化对微小通道内气体流动和换热特性的影响。

结果表明，相同进口雷诺数下：1）旋转数一定时，随着通道高宽比增加，微小通道内的综合换热效果会表现出先减弱后增强的变化规律，且当AR=2.5时，存在一个最小
值;2）高宽比AR=10时，微小通道的综合换热效果都随着旋转数增加不断减小，而高宽比
AR<9时，综合换热效果随旋转数呈现出相反的规律。

关键词：微小通道;高宽比;综合换热
由于微小尺度可以使边界层变薄，有利于强化换热，尤其是湍流区，微小通道成为近十年最受国内外学者关注的冷却方式之一。

目前，有关微小通道内流动换热研究主要基于静止状态下。

Park（1992）等[1]系统地研究了各种微槽结构对传热的影响，并给出了在五个含有湍流激发装置的短矩形槽内测得的换热和摩擦数据。

John P. Mchale（2010）[2]等对截面为梯形不同尺寸及角度的微小通道内的传热特性做了相关的数值模拟研究，得到了相关的关联式子。

孙浩峰[3]实验分析了水力直径1mm的微小通道组在0～500r/min转速范围内流动换热的规律。

但现有研究大部分是在实验室低温、低马赫数、低转速的条件下进行，与实际工作条件有很大差异。

本文通过数值模拟方法，对不同高宽比不同旋转数下，微小通道内流动和换热特性进行了分析，为其在涡轮冷却叶片上的应用提供了参考。

1研究模型及研究方法
1.1 计算模型
为了更好的研究旋转状态下微小通道内气体的换热特性，同时考虑到网格数量和计算时间，本文参考某发动机高压涡轮工作叶片尺寸，建立单个通道计算模型：通道壁厚0.8mm，长度L=80mm，旋转半径R=0.192m。

并且在进出口各设置了15mm长的发展段。

通道内壁高度H和宽度W的参数范围在后文研究中将具体给出。

1.2 计算方法与边界条件
本文采用流体力学软件CFX，对N-S方程使用控制容积法离散，运用结构化网格，进行了多种湍流模型的计算。

结果表明SST模型在低转速计算范围内与已有实验结果[3]更为接近，且高转速时能达到很好的收敛性。

计算域边界条件参考某发动机高压涡轮工作叶片在高空设计状态的参数为准，进口相对总压0.5MPa，相对总温800K;出口给定流量;各壁面均取无滑移等热流条件，且两侧面热流密度为前后缘面的一半。

2数值模拟结果与分析
表1为不同高宽比通道的参数，高宽比AR（AR=H/W）在水力直径不变（Dh=1.0mm）前提下，从0.2～10内变化。

图1给出了进口雷诺数（Re=1800）一定时，不同高宽比通道内努赛尔数比变化规律。

不同旋转数下，随着高宽比增加，微小通道内换热能力都表现出先递减后增加的趋势，并且在高宽比AR=2.5时，努赛尔数比达到最小值。

同时，除了高宽比AR=10外，其余微小通道内的换热效果都随着旋转数的增加而有所增强。

图2所示为旋转状态下不同高宽比通道在中截面（L=40Dh）内的流动状态。

哥氏力作用下产生的中心冷流体向后缘流动，并沿着两侧面流向前缘，最终回到中心的对涡结构。

从图中可以发现，当AR≤1时，随着AR减小，通道内涡流中心逐渐向两侧面偏移，而当AR>1，漩涡中心与后缘面则随着AR增加不断增大，这两种情况都会削弱哥氏力对后缘面的换热作用，同时也降低了冷流体在此处的温升，导致通道侧面换热一定程度被强化。

旋转状态下，水力直径相等但高宽比不同通道内流阻的變化规律与静止层流状态相似，见图3。

相同雷诺数Re时，AR=1的正方形通道内流量最低，流动产生的角涡损失最小，因而流动阻力系数也最小。

随着AR增大或减小，通道内的流量都不断增加，阻力系数也随之增大。

另外，对比模型2和6，模型3和5这两组通道可以发现，转速的增加对于AR<1截面通道流阻增大的影响要强于AR>1截面。

如图4所示，当转速一定时，在换热和流阻的共同作用下，微小通道的综合换热效果在计算的高宽比变化范围内存在一个最低点，并且最小值会随着转速增加而向高宽比增大的方向移动。

当高宽比一定，且AR<9时，通道的综合换热效果随着转速增加而不断增强，而AR>9时，综合换热效果随着转速增加而逐渐减小。

3结论
本文针对旋转状态下，不同高宽比的微小通道内气体的流动与换热进行了研究，得到以下结论：
1）旋转数一定时，随着通道高宽比增加，微小通道内的综合换热效果会表现出先减弱后增强的变化规律，且当AR=2.5时，存在一个最小值。

2）高宽比AR=10时，微小通道的综合换热效果都随着旋转数增加不断减小，而高宽比AR<9时，综合换热效果随旋转数呈现出相反的规律。

参考文献
[1] ;Park J S，Han J C，Huang Y and Ous. Heat transfer performance comparison of five different rectangular channels with parallel angled ribs[J]. Int. J. Heat Mass Transfer，vol. 1992，35：2891～2903.
[2] ;John P. McHale，Suresh V. Garimella *. Heat transfer in trapezoidal microchannels of various aspect ratios[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer 53（2010）365–375.
[3] ;孙浩峰.微小通道换热的实验研究[D].北京航空航天大学.2013.。