叶片前腔高阻塞比肋化通道换热特性实验研究(2)

图3、4分别为实验通道的三维图和横截面形状，通道内表面主要分为有肋侧、无肋侧和前缘3个区域，上下有肋侧表面交错布置有90°横肋，其中下表面横肋等厚度延伸至前缘。红外窗口开设在上表面有肋侧，其表面由红外玻璃构成，实验待测表面包括前缘区域、无肋侧以及下表面的有肋侧。

图3 通道示意图

图4 通道横截面形状

横肋几何参数如图5和表1所示。实验前，将横肋按照固定位置分别粘贴在加热膜和红外玻璃表面。为了避免上下交错布置的横肋对肋间区域产生遮挡，使用3台完全相同的红外热像仪分别从3个不同的角度进行拍摄，以获得全面完整的温度分布，如图2所示。另外，有肋侧、无肋侧和前缘在周向上的跨度较大，红外热像仪无法一次拍摄到所有表面，因此实验针对3个区域分别进行测量，测量视角和测量区域如图4所示，其中在前缘区域，由于壁面过度弯曲，红外热像仪只能拍摄到靠近下表面有肋侧的约3/4的表面。在单独测量每个区域时，镜头视线与表面法向夹角控制在60 ℃以内，以保证表面发射率近似不变。

图5 横肋几何参数表1 试验段几何和流动参数

Ree/dr/ew/p5 000～50 0000.04～0.320.1～0.50.04～0.16

2实验数据处理

肋化通道进口雷诺数为

式中：ρ、u、μ分别为通道入口气流密度、平均速度和动力黏度；d为通道水力直径。

肋化通道对流换热系数为

式中：Q=UI=81.9 W为加热膜的加热热流；Qloss为加热膜的热损失；A为加热膜面积；Tw和Tin分别为加热膜表面温度和通道入口气流温度；λ为气流的导热系数。

在实验过程中，由于胶木板不可能完全绝热，加热膜的一部分热量会通过胶木板散失到周围环境中，散失的热量应当与胶木板外表面和周围空气之间的对流换热量相等。实验段水平放置，胶木板外侧向下，根据传热学知识可知，此时胶木板外侧与周围空气的换热属于热面向下的大空间自然对流换热[24]，其换热系数为

其中格拉晓夫数

普朗特数

由式(4)～(6)可得加热膜热损失

对于式(4)～(7)，定性温度实验时，在胶木板外侧沿流向均匀粘贴了5个热电阻，用以测量胶木板外表面的温度，热电阻的平均温度℃，环境温度T∞=20 ℃，因此Tm=20.75 ℃，℃。特征长度l=Ap/P，其中：Ap为胶木板外侧换热面积；P为换热面周长；g为重力加速度；αV为体胀系数。对于符合理想气体性质的气体，αV=1/T，ν为运动黏度，cp为定压热容。综合式(4)～(7)可得，Qloss=0.422 W，Qloss/Q=0.52%。

量纲为一对流换热系数为

式中Nu0为光滑管道湍流强制对流换热经验关联式。

3红外测温标定

为了准确获得待测表面温度，减小红外测温误差，实验结束后，使用热电阻对红外测温进行标定。

在不通气流、保持红外热像仪位置等因素均不变的情况下，在有肋侧、无肋侧和前缘的加热膜上各粘贴6个热电阻，用以测量加热膜的真实温度。通过调节加热膜两端电压，可以使其表面温度稳定在不同的量值，且确保该温度变化范围覆盖实验实际测量范围，待加热膜温度稳定时，同时记录对应位置热电阻和红外热像仪所测的温度值。最后，针对有肋侧、无肋侧和前缘3个不同区域，分别对红外测温进行标定，使用最小二乘法拟合得到的标定公式如下：

有肋侧

无肋侧

前缘

根据误差传递公式[25]，在实验研究参数范围内对流换热系数的最大相对误差?。

4实验结果及分析

4.1沿程对流换热系数分布

图6为标准结构中有肋侧、无肋侧和前缘的展向平均Nu沿流向的分布曲线，其中X/d表示当前位置距通道入口的流向距离X相对于通道水力直径d的量纲为一距离。

图6 沿流向的展向平均Nu分布(e/d=0.2,r/e=0.1,w/p=0.1)

实验段上、下有肋侧各布置有6根横肋，下表面有肋侧的横肋中截面对应的量纲为一距离分别为2、4、6、8、10、12，图中一共包含5个肋间距。

可以看出，有肋侧、无肋侧和前缘的展向平均Nu均随着进口Re的增加而显著提升，这是因为进口Re增加时，气流流速增大，与壁面之间的换热增强。同时，3个区域的展向平均Nu在流向上大致呈周期性分布，且变化趋势并不随Re的增大而改变，这表明肋化通道中5个肋间距内的流动状态大致相似，并且当流量增大时流动状态基本不变。

文章来源：《地学前缘》 网址: http://www.dxqyzz.cn/qikandaodu/2021/0501/495.html