矩形通道内不同倾斜角度粗糙肋传热特性数值研究

发布时间：2020-07-17 01:22

【摘要】：肋化通道强化换热因其高效、可靠、经济的特点被广泛应用,如涡轮叶片内冷却通道、太阳能加热器、电子元器件等。不同倾斜角度的肋不仅增大了换热面积也会产生二次流。影响肋化通道强化传热的因素有很多,包括肋倾角、肋间距、肋尺寸、肋形状等。本文采用数值计算的方式研究矩形通道内不同倾斜角度粗糙肋的传热特性,并从二次流机理这一角度分析倾斜肋强化传热的原因,比较横、纵向二次流对传热作出的贡献。首先,建立三维矩形通道模型,与已知实验值进行对比,选取合适的湍流模型。使用Solidworks建立三维矩形通道模型,采用ICEM CFD划分结构化六面体网格,使用FLUENT将五种湍流模型计算结果与实验值进行比较,选取与实验值最接近的Realizable k-?模型进行后续的计算与分析。其次,改变通道内的几何参数,分析不同几何参数下的传热与流动特性。改变肋间距与肋高比p/e、肋的宽高比w/e、肋的倾斜角度α以及肋的截面形状,得到33种矩形通道模型。以努塞尔数Nu与阻力系数f为评价基础,分析雷诺数Re=8000~20000范围内不同几何参数对传热与流阻的影响。通过分析温度场、速度场与湍流动能,对结果进行进一步的验证。再次,引入二次流强度,分析二次流强度及其与传热的关系。使用CFD-Post定义绝对涡通量与二次流强度,分析光滑通道、几何参数对二次流强度的影响,比较横向二次流强度与纵向二次流强度大小,以及二次流强度与传热的对应关系。最后,得到如下肋化通道换热结果:1.矩形通道内设置不同倾斜角度粗糙肋使换热得到加强,但同时阻力系数也相应提高。2.对肋间距与肋高比p/e、肋的宽高比w/e而言,随着雷诺数Re的增大,Nu/Nu_0和f/f_0逐渐减小;对肋的倾斜角度α而言,随着雷诺数Re的增大,30°、45°、60°、75°倾斜肋的Nu/Nu_0减小,f/f_0增大,90°肋的Nu/Nu_0和f/f_0均减小。3.对不同倾角的方形肋、长方形肋、等腰三角形肋与靴形肋而言,45°肋具有最高的传热系数和阻力系数,75°和90°肋的传热系数和阻力系数较低。4.同一参数下,二次流强度与努塞尔数变化趋势相同。在本文研究范围内,不同肋形具有相同的二次流强度变化规律。横、纵向二次流对传热都有一定的贡献,纵向二次流贡献更大一些。二次流强度可以表征换热特性,其与努塞尔数存在一定关系。
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK124
【图文】：

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是应用广泛的一种高温外部冷却技术。图1.1 为气膜冷却示意图，冷却工质从高温壁面开设的小孔高速射入主流，与主流掺混一起流向下游，附着在壁面上，形成薄膜保护层。形成的薄膜保护层可对高温燃气进行隔离，并带走部分高温燃气，从而对壁面起到冷却保护作用。实质上，气膜冷却是冷热流体间的交叉射流，是对流冷却与气膜冷却共同作用的结果。

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- 3 -图 1.2 冲击冷却示意图[7]冷却的主要方式之一，应用广泛，效果好柱扰流冷却，肋片扰流冷却主要应用于叶片尾缘区域。图 1.3 为肋片扰流冷却原理内壁面上，包括直肋、倾斜肋和间断肋等肋等，通过增加传热面积和加强气流扰动等，其换热原理与肋片扰流冷却原理相同

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图 1.3 肋片扰流冷却原理冷却可看作是冲击冷却的延伸，包括气膜-对流冷却和对流-冲复合冷却技术，图 1.4 为复合冷却方式图。气膜-对流冷却是冷却结合起来的一种技术，广泛用于涡轮叶片温度最高的部位片前缘等。气膜-对流冷却既能提高冷却效果，又能减少冷却击-气膜相结合的复合冷却是将对流冷却、冲击冷却和气膜冷却合冷却技术，从叶片下部或顶端进入叶片内部，通过强制对流效的冷却，然后由叶片上的小孔流出对叶片外表面进行冷却保

【参考文献】