叶片前腔高阻塞比肋化通道换热特性实验研究(3)

图7 肋化通道流场

具体分析3个区域。以第3个肋间距为例，对于有肋侧，由于横肋的存在，对气流产生扰动，破坏了流体的边界层，使气流在肋后依次出现流动的分离和再附着现象，如图7所示。在紧靠肋后的分离区域，由于分离涡的存在，流体与壁面之间的热交换能力较弱，壁面温度最高，换热系数最小。随后，在再附着区域，由于流体的惯性，再加上壁面交错肋的作用，使流体产生斜向下的俯冲速度，加剧了对壁面的冲刷作用，使再附着区域温度最低，对流换热系数最大。再往后，流体的边界层开始发展并逐渐增厚，与壁面之间的热交换能力逐渐减弱，对流换热系数逐渐下降。最后，气流冲击到下一条横肋的迎风面，使肋根附近的换热略有增强。因此，有肋侧的换热系数在一个完整的周期内呈现先增大后减小，再略有增大的趋势，前缘的变化趋势与有肋侧类似。

对于无肋侧，展向平均Nu在前半个周期内较大，在后半个周期内较小。这是因为前腔通道横截面左右为非对称结构，且下壁面横肋在右侧等厚度延伸至前缘，在此横截面上，左边无肋侧表面附近的流动空间与右边前缘相比明显较大，且不存在横肋的阻碍，流体流动的阻力较小，因此当流体流过该截面时，更倾向于从左边通过。这种阻碍作用在流线图上表现为流线的偏向，如图8所示，当流体越过下表面横肋时，由于前缘区域横肋的阻碍，导致流线由前缘向无肋侧偏移，这使得肋后无肋侧附近的流动速度较大，流体与壁面之间的换热较强，对流换热系数较高。沿流向往后，上壁面的横肋并没有延伸至前缘，这使得右侧前缘区域的流动阻力减小，上述阻碍效应有所减弱，因此在上壁面肋后，无肋侧的换热系数又有所降低。

4.2 阻塞比e/d对无量纲对流换热系数的影响

图9为Re不同时，有肋侧、无肋侧和前缘的Nu/Nu0随阻塞比e/d的变化。可以看出：在Re不变时，Nu/Nu0均随阻塞比e/d的增大而单调增加，且这种趋势不随Re的变化而改变。下面单独以Re=30 000时为例进行分析，如图10所示。

图8 三维流场

图9 阻塞比e/d对Nu/Nu0的影响(r/e=0.1,w/p=0.1)

图10 阻塞比e/d对Nu/Nu0的影响(Re=30 000,r/e=0.1,w/p=0.1)

随着阻塞比e/d的增大，横肋对流体的扰动作用加剧，流体与通道壁面之间的换热增强，靠近壁面附近的较高温度流体与通道中心区域的掺混增强，因此有肋侧、无肋侧和前缘的Nu/Nu0均随阻塞比e/d的增大而显著增大，且阻塞比e/d越大，增大的幅度越明显。但是阻塞比不同时，3个区域Nu/Nu0之间的量值大小并不相同。具体分析如下：当阻塞比e/d<0.2时，由于有肋侧和前缘横肋的存在，有效地强化了流体与壁面之间的换热，且有肋侧的流动空间相对较大，对流体的阻碍作用较小，因此有肋侧的Nu/Nu0最大，前缘次之，无肋侧最低；当阻塞比e/d增大到0.2时，前缘区域横肋的存在对流动的阻碍作用开始彰显，并随着阻塞比的增大而愈加显著，使得前缘的Nu/Nu0开始低于无肋侧且差距愈来愈大；随着阻塞比继续增加，有肋侧和无肋侧Nu/Nu0的增加幅度明显加大，并且在阻塞比e/d=0.32时，无肋侧的Nu/Nu0反而超过有肋侧达到最大，这可能是因为阻塞比过大时，有肋侧肋后的分离区域增大，导致肋后的高温区域扩大，同时前缘对流体的阻碍作用加剧，使更多的流体倾向于由无肋侧附近通过，强化了流体与无肋侧表面的换热，这也与前缘Nu/Nu0的增加幅度下降的现象吻合。上述两个原因使得无肋侧的换热强化程度反而优于有肋侧。

4.3 肋倒角-肋高比r/e对量纲为一对流换热系数的影响

图11为肋倒角/肋高比r/e对有肋侧、无肋侧和前缘Nu/Nu0的影响。分析可知，有肋侧的Nu/Nu0随着r/e的增加而单调递减，这是因为r/e增大时，横肋的截面形状更趋近于流线型，对流动的扰动作用减弱，流体与壁面之间的热交换能力下降，Nu/Nu0有所减小。但是r/e的增大也在一定程度上减小了前缘区域横肋对流动的阻碍作用，因此前缘的Nu/Nu0在r/e刚开始增大时，先是略有上升，但幅度很小，之后随着r/e的继续增大，横肋对流体的扰动作用减弱明显，Nu/Nu0出现小幅下降。对于无肋侧，当r/e由0.1增大到0.4时，横肋对无肋侧附近流体的扰动作用减弱，通道形状变得相对光滑，流动的分离现象得以削弱，分离区域随之缩减，使得无肋侧表面的较高温度区域面积减小，换热有所增强，但是当r/e增大到0.5时，Nu/Nu0又略有下降，原因可能是此时前缘附近的流动阻力下降明显，反过来造成无肋侧附近的流动速度减小，换热能力下降。

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