出流孔倾角对层板冷却结构流动与换热特性的影响

杨璐璐，卢朝阳

(南京航空航天大学民航学院，南京 211106)

出流孔倾角对层板冷却结构流动与换热特性的影响

杨璐璐，卢朝阳

(南京航空航天大学民航学院，南京 211106)

设计了5种不同层板冷却结构出流孔倾角模型，应用Fluent软件对其进行流动与换热的耦合计算，并对数值计算结果进行了对比分析。结果表明:当冷流沿出流孔流入主流时，冷流与热流掺混较强，湍动能沿程逐渐增大;随后掺混逐渐趋于平稳，湍动能逐渐减小;随着出流孔倾角的逐渐增大;出流孔中心线两侧的流体不断被卷吸进来，不断挤压出流孔中心线上的流体，冷流与热流的混合增强，掺混核心区的面积逐渐增大。随着出流孔倾角的逐渐增大，沿出流孔流入主流的冷流覆盖在热侧壁面上的温度逐渐升高，换热逐渐减弱，热侧壁面温度逐渐升高。

倾角;层板结构;湍动能;流动换热

未来航空发动机朝着高推重比的方向发展，为增加发动机的推力和功率，需要不断增加直接参与燃烧的空气量，从而导致用于冷却的空气量逐渐减少，同时燃烧室出口温度逐渐升高［1］，给高温部件的冷却带来一定困难，这就要求人们探索更为高效的冷却结构。

在燃烧室中采用层板冷却结构是解决火焰筒冷却问题的先进技术之一。层板冷却结构能够在减少冷却用气量的情况下降低火焰筒壁面温度梯度和结构热应力水平，延长其使用寿命。因此，具有层板冷却结构的火焰筒是未来燃烧室的主要结构形式，具有良好的发展前景［2-3］。

典型的层板冷却结构(如 Lamilloy层板［4-5］和Transply层板［6］)，是集冲击冷却、强化对流换热和气膜冷却于一体的高效冷却方式。国内外众多学者对层板冷却开展了研究工作［7-11］。许全宏［12］研究表明:发散壁热侧换热增强系数随着吹风比的增大而增大，长菱形排布优于正菱形排布，换热增强系数随着孔排数的增加而增加。宋双文［13］研究表明:层板冷却效率随吹风比的增大而增加，当吹风比大于1时，吹风比对层板冷却效率没有影响。袁星［14］研究了填充比和直径比对层板结构流阻和换热特性的影响。曹俊［15］研究表明:扰流柱的排列方式对层板冷却效果没有影响。谭晓茗［16］研究了7种不同层板结构的流动和换热特性。研究表明:冲击孔、气膜孔和扰流柱的排布方式以及扰流柱直径对层板结构的流动与换热有显著的影响。

国内对层板冷却结构的流动与换热特性影响因素的研究大多限于主扰流柱直径、通道高度、不同冲击孔、气膜孔、吹风比以及排布方式等参数的变化，对出流孔倾角的研究不多［17-24］。而出流孔倾角变化是层板冷却结构的流动与换热特性的重要影响因素，急需开展对应的研究。为此，本文设计了5种不同出流孔倾角的层板冷却结构，以Fluent商用软件为工具，研究了出流孔倾角变化对层板冷却结构的流动与换热特性的影响。

1 计算模型

1.1 物理模型

如图1所示，本文选取叉排的2列扰流柱的局部区域进行研究。由于燃烧室半径较大，将以上角度很小的区域简化为矩形通道，从而得到本文研究的层板冷却结构模型。在如图2所示的层板冷却结构示意图中:冲击板长L=35 mm;冲击板厚δ=1 mm;外壁厚δ0=1.5 mm;冲击孔距离冲击板末端L0=35 mm;冲击孔直径D0=1.5 mm;第1排扰流柱距冲击板前缘的距离L1=14.75 mm;扰流柱直径d=0.8 mm;扰流柱轴向间距S=1.75 mm;扰流柱展向间距P=1.0 mm;扰流柱高度和通道高度均为H=2.5 mm;出流孔中心距离冲击板前缘L2=8 mm;出流孔直径D=1.5 mm。由于出流孔倾角的变化对热侧壁面温度分布有很大影响，因此在保证通过冲击孔流量相等的条件下，本文设计了层板冷却结构中出流孔的5种倾角模型，孔倾角α分别为20°，30°，45°，60°和90°。

1.2 计算模型与计算网格

图3给出了本文的计算域模型。根据航空发动机燃烧室的实际通道高度，确定本文的热流通道高度为42 mm，热流进口、冷流进口和以及混合流出口如图3所示。

图4给出了计算域周期面局部网格分布。计算模型全部采用结构化网格，在流体近壁处均实施了网格局部加密，保证了计算结果的可靠性。图5给出了冷侧壁面网格分布。本文分别对网格数为85万、130万、160万、210万和240万的模型进行网格独立性验证。当网格数为160万时，算例满足网格独立性要求。因此，本文所有的计算模型网格数量均为160万左右。

图1 扰流柱的排布方式

图2 层板冷却结构示意图

图3 计算域模型示意图

图4 周期面局部网格分布

图5 冷侧壁面网格分布

2 边界条件与湍流模型

表1给出了冷热流体的进出口参数，其中冷流进口采用流量进口，流量m˙=0.125 g/s。冷流体冲击到冲击板后，沿放置有扰流柱的冷流通道流动，最后从出流孔流出与主流混合。冷、热流体均设置为理想流体;计算域的端面均设置为绝热面;前后面均设置为周期面;流体与固体壁面的交界面设置为流固耦合面。计算采用Fluent商业软件;湍流模型采用Realizablek-ε模型;控制方程采用控制容积法进行离散，采用隐式分离求解;压力速度耦合采用SIMPLE算法;对流项采用二阶迎风进行离散，解收敛的判断标准是相对残差小于1×10-6。

表1 冷热流体的进出口参数

3 计算结果与分析

3.1 速度分布

冷流冲击到冲击板面后，沿有扰流柱的冷却通道流动，并从出流孔流出与热流发生掺混。图6 (a)～(e)分别给出了模型1～5中x/D=7截面局部区域的速度分布云图。以图6(a)模型1为例，x/D=7截面上冷流出流中心线y=0上速度uZ为正值，且沿Z轴正向逐渐减小。这是因为冷流沿出流孔流入主流沿程动量逐渐减小，使得冷流穿透主流的速度逐渐减小;在中心线y=0处，由于沿出流孔流出的冷流的卷吸作用，使得中心线y= 0左右两侧的流体微团发生转动，速度uZ的方向发生改变。不同模型的x/D=7截面局部速度分布规律相似。

比较不同模型可以看出:随着出流孔倾角的增大，中心线y=0上逐渐出现2个uZ为正值的峰值区域，底部区域的速度uZ峰值逐渐增大，上方区域的速度uZ峰值逐渐减小。这是因为沿出流孔流出的冷流卷吸中心线y=0两侧的流体，使中心线y=0两侧的流体微团发生转动，随着出流孔倾角的逐渐增大，这种转动逐渐加剧，并逐渐挤压中心线y=0附近区域，将中心线y=0附近的区域分为上、下2个速度uZ峰值中心。

3.2 速度矢量与流线分布

图7(a)～(e)分别给出了模型1～5中x/D= 7截面局部区域的速度矢量与流线分布。以图7(a)模型1为例，冷流沿出流孔流入主流，中心线y=0两侧的流体被卷吸进来，在中心线y=0两侧形成旋转方向相反的左右对称分布的一对涡;冷流覆盖在热侧壁面上，随着冷流与热流的掺混以及换热，其温度沿Z轴正向逐渐升高。

图6 x/D=7截面uZ分布云图(单位:m/s)

比较不同模型可以看出:同一Z轴位置处，随着出流孔倾角的逐渐增大，覆盖在热侧壁面上的气膜温度逐渐降低。这是因为出流孔倾角的增大，使得冷流穿透热流的距离增大，冷流射入主流的距离增大;随着出流孔倾角的增大，中心线y=0两侧的涡对中心间的距离逐渐减小，这是由于中心线y=0两侧的流体被卷吸进来挤压中心线y= 0附近区域;随着出流孔倾角的增大，涡对中心逐渐向Z轴正向偏移，这是由于中心线y=0两侧的流体被卷吸进来，使涡对中心被抬升;随着出流孔倾角的增大，对涡影响的区域面积逐渐增大，发生转动的流体微团的区域逐渐增大。

图7 x/D=7截面速度矢量与流线分布

3.3 湍动能分布

湍动能的大小和分布在一定程度上能够反映流体间的混合速率。图8(a)～(e)分别给出了模型1～5中x/D=7、x/D=8、x/D=9、x/D=10和x/D=11截面上局部区域的湍动能分布。

以图8(a)模型1为例，在x/D=7截面上，冷流沿出流孔流入主流后，靠近热侧壁面附近的区域湍动能较小，此时冷流与热流的混合较弱;随着与热侧壁面距离的增大，湍动能逐渐增大，冷流与热流的掺混较强;此后，随着与热侧壁面距离的增大，湍动能逐渐减小直至0，冷流与热流的掺混逐渐减弱。这是因为冷流沿出流孔流入主流，在壁面附近脱离壁面流动，冷流与热流掺混较弱。在冷流流入热流并与热流掺混的区域内，掺混较强，此时为掺混核心区。由于沿出流孔流入主流的冷流沿程动量逐渐减小，使得冷流穿透主流的速度和穿透距离逐渐减小，掺混逐渐减弱，在冷流与热流接触的区域之外，此时冷流与热流不再发生掺混。比较不同截面可以看出:随着x/D的增大，壁面附近流体的湍动能逐渐增大，这是由于沿出流孔流入主流的冷流，在出流孔出口处脱离壁面流动，在与主流逐渐混合过程中，流动逐渐贴紧壁面。随着x/D的增大，掺混核心区湍动能先增大后逐渐减小，这是由于沿出流孔流入主流的冷流不断卷吸两侧流体并与之掺混，随后由于流动逐渐趋于平稳，掺混逐渐减弱。

比较不同模型可以看出:随着出流孔倾角的增大，靠近热侧壁面附近区域的湍动能逐渐增大，掺混核心区的湍动能逐渐增大，掺混核心区域的面积逐渐增大。这是因为冷流沿出流孔流入主流，不断卷吸两侧流体进入掺混核心区，加强了冷流与热流的掺混，同时使冷热流体掺混核心区域的面积不断增大。

3.4 努塞尔数分布

努塞尔数是衡量对流换热强烈程度的重要参数，其表达式为Nu=hl/λ，其中:h表示对流换热系数(W/m2·K);λ表示空气的导热系数(W/m·K)。

图9给出了模型1～5中热侧壁面上努塞尔数沿流向分布。以模型1(20°)为例，热侧壁面出流孔前缘，由于出流孔的存在，流过出流孔的冷流与壁面进行了对流换热，强化了对流换热，努塞尔数逐渐增大;冷流沿出流孔流入主流，并形成一层保护膜完全覆盖在热侧壁面上，此时热侧壁面与流体对流换热量较小，努塞尔数逐渐减小;随后由于冷流体与热流体不断进行掺混，扰流柱和冲击对流的存在强化了对流换热，努塞尔数逐渐增大。

比较不同模型可以看出:随着出流孔倾角的增大，努塞尔数逐渐减小。这是由于随着出流孔倾角的增大，在出流孔出口处，沿出流孔流入主流的冷流与热侧壁面发生分离，换热量逐渐减小。

图8 截面湍动能分布(单位:k2/s2)

图9 热侧壁面努塞尔数沿轴向分布

3.5 热侧壁面温度分布

图10(a)～(e)分别给出了模型1～5中热侧壁面上温度分布云图。

图10 热侧壁面温度分布

比较不同模型可以看出:随着出流孔倾角的增大，出流孔附近温度等值线逐渐稀疏，温度梯度逐渐减小，温度变化剧烈程度减弱;随着出流孔倾角的增大，热侧壁面上温度等值线逐渐向下游偏移，热侧壁面上高温区域的面积逐渐增大，即随着出流孔倾角的增大，沿轴向同一位置处的热侧壁面温度逐渐升高。

综上所述，冷流沿出流孔流入主流时，冷流与热流掺混较强，湍动能沿程逐渐增大;随后掺混逐渐趋于平稳，湍动能逐渐减小。随着出流孔倾角的逐渐增大，出流孔中心线两侧的流体不断被卷吸进来，不断挤压出流孔中心线上的流体，冷流与热流的混合增强，掺混核心区的面积逐渐增大。随着出流孔倾角的逐渐增大，沿出流孔流入主流的冷流覆盖在热侧壁面上的温度逐渐升高，换热逐渐减弱，热侧壁面温度逐渐升高。

4 结论

本文针对层板冷却结构出流孔倾角的改变，设计了5种不同出流孔倾角的模型，在冷流流量一定的情况下，数值模拟研究了其流动和换热特性。在本文研究条件下，有如下结论:

1)冷流沿出流孔流入主流时，冷流与热流掺混较强，湍动能沿程逐渐增大;随后掺混逐渐趋于平稳，湍动能逐渐减小。

2)随着出流孔倾角的逐渐增大，出流孔中心线两侧的流体不断被卷吸进来，不断挤压出流孔中心线上的流体，冷流与热流的混合增强，掺混核心区的面积逐渐增大。

3)随着出流孔倾角的逐渐增大，沿出流孔流入主流的冷流覆盖在热侧壁面上的温度逐渐升高，换热逐渐减弱，热侧壁面温度逐渐升高。

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(责任编辑陈 艳)

Influence of Flow Angle of Aole on Heat Transfer and Flow Characteristics of Lamilloy Configuration

YANG Lu-lu，LU Chao-yang
(College of Civil Aviation，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 211106，China)

Five different lamilloy configurations model in which the flow angle of hole were changed were designed to conjugate simulate the flow and heat transfer characteristics with fluent software，and the results were analyzed by comparison.The results showed that when the cool air flow into the mainstream along the hole of flow，cool air and hot air mix stronger and turbulence kinetic energy increases along the way.Then the mixing gradually stabilizes，the turbulent kinetic energy decreases gradually. With the gradually increase of the flow angle of hole，the fluid on the both sides of the center line of the hole is sucked in continuous，and the fluid on the center line of the hole is squeezed out in contin-uous，which enhances cool air and hot air mixing and increases the proportion of mixing core area. With the gradually increase of the flow angle of hole，the temperature of cool air which is covered on the hot side surface increases gradually，and heat transfer are weakened and the temperature of hot side surface are increased gradually.

angle;lamilloy;turbulence kinetic energy;flow and heat transfer

V231.1

A

1674-8425(2015)11-0066-07

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2015.11.011

2015-07-10

杨璐璐(1988—)，女，河南漯河人，硕士研究生，主要从事空中交通运输规划与管理研究。

杨璐璐，卢朝阳.出流孔倾角对层板冷却结构流动与换热特性的影响［J］.重庆理工大学学报:自然科学版，2015(11):66-72.

format:YANG Lu-lu，LU Chao-yang.Influence of Flow Angle of Aole on Heat Transfer and Flow Characteristics of Lamilloy Configuration［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2015(11):66 -72.