第 3 章 内 部 冷 却 通 道 实 验 结 果本 次 研 究 在 改 造 完 毕 的 内 部 冷 却 实 验 台 上 进 行 了 基 于 瞬 态 液 晶 技 术 的 传 热 实验 , 对 光 滑 、 带 肋 和 抽 吸 三 种 不 同 配 置 的 实 验 段 中 的 流 动 传 热 特 性 进 行 了 详 细 测量 , 获 得 了 表 面 传 热 系 数 分 布 和 沿 程 壁 面 压 降 分 布 。 本 文 选 取 进 口 Re=50000 的典 型 工 况 进 行 详 细 分 析 。3.1 光 滑 、 带 肋 和 抽 吸 内 部 冷 却 系 统 的 传 热 结 果光 滑 通 道 弯 头 前 区 域 的 传 热 分 布 符 合 典 型 的 管 流 特 征 , 见 图 3.1a。 由 于 进 口处 有 一 定 湍 流 度 的 来 流 得 到 充 分 发 展 , 整 个 弯 头 前 区 域 的 努 塞 尔 数 接 近 于 经 验 关联 式 的 大 小 ,Nu 接 近 于 Nu 0 , 体 现 了 实 验 结 果 的 合 理 性 。 弯 头 下 游 紧 贴 隔 板 区 域传 热 系 数 较 低 , 这 是 由 于 气 体 在 此 处 产 生 的 大 分 离 造 成 的 。 弯 头 处 的 分 离 和 回 流区 导 致 了 流 道 有 效 面 积 变 窄 , 流 体 在 弯 头 区 加 速 明 显 , 其 对 弯 头 后 区 域 的 冲 击 作用 使 得 弯 头 区 的 传 热 分 布 沿 流 程 逐 渐 加 强 , 并 在 下 游 约 1 倍 水 利 直 径 处 形 成 传 热系 数 峰 值 区 。 随 着 流 体 在 弯 头 后 区 域 的 继 续 发 展 , 弯 头 引 起 的 冲 击 作 用 逐 渐 减 弱 ,流 动 逐 渐 回 复 到 光 滑 管 流 的 状 态 , 传 热 系 数 也 逐 渐 恢 复 到 弯 头 前 水 平 。带 肋 通 道 的 传 热 分 布 见 图 3.1b。 直 通 道 部 分 中 , 由 于 肋 片 的 引 入 , 通 道 中 的传 热 得 到 明 显 地 强 化 。 一 方 面 , 流 体 在 肋 片 表 面 发 生 分 离 , 随 后 再 附 着 在 肋 片 间区 域 。 流 动 边 界 层 被 破 坏 , 同 时 肋 片 扰 流 也 增 强 了 主 流 湍 流 度 , 使 得 靠 近 表 面 的热 量 有 效 地 散 入 主 流 , 从 而 提 高 传 热 系 数 。 另 一 方 面 , 流 体 在 45 度 肋 片 作 用 下 ,逐 渐 形 成 了 横 向 二 次 流 。 在 4~5 个 肋 片 后 , 该 二 次 流 发 展 稳 定 , 流 动 呈 现 周 期 性变 化 , 传 热 分 布 规 律 也 呈 现 周 期 性 特 征 。 在 弯 头 区 , 由 于 上 游 肋 片 形 成 二 次 流 的影 响 , 传 热 在 流 体 开 始 折 转 的 地 方 就 得 到 加 强 。 强 化 区 域 随 着 折 转 离 心 力 的 作 用呈 现 弧 形 分 布 , 使 得 弯 头 内 侧 传 热 显 著 强 于 外 侧 , 分 布 不 均 匀 。 在 下 游 第 一 个 肋片 后 , 由 于 弯 头 加 速 和 冲 击 与 肋 片 分 离 再 附 作 用 的 共 同 影 响 , 形 成 传 热 峰 值 区 。弯 头 冲 击 和 加 速 作 用 的 影 响 在 下 游 第 三 个 肋 片 以 后 显 著 减 弱 , 肋 片 对 流 动 的 影 响重 新 占 主 导 地 位 , 传 热 分 布 恢 复 周 期 性 。18
抽 吸 通 道 在 抽 吸 量 为 13% 的 工 况 下 , 整 体 传 热 水 平 和 带 肋 通 道 相 当 , 但 在 传热 分 布 规 律 上 有 明 显 差 异 , 见 图 3.1c。 在 肋 片 间 区 域 , 一 方 面 , 抽 吸 孔 附 近 形 成了 一 个 新 的 高 传 热 系 数 区 , 该 高 传 热 系 数 区 在 孔 的 周 围 沿 着 壁 面 附 近 流 动 方 向 分布 。 这 是 因 为 , 抽 吸 作 用 使 得 孔 上 游 的 流 体 加 速 , 增 强 了 换 热 。 而 在 孔 下 游 , 由于 边 界 层 流 体 被 抽 吸 和 破 坏 , 边 界 层 在 孔 下 游 重 新 生 成 和 发 展 , 厚 度 较 薄 , 因 此换 热 能 力 也 很 强 。 另 一 方 面 , 由 于 部 分 流 体 被 抽 吸 出 通 道 , 主 流 流 体 由 于 肋 片 引起 的 横 向 二 次 流 强 度 有 所 减 弱 , 因 此 , 肋 片 间 原 来 的 高 传 热 系 数 区 有 所 缩 小 。 弯头 区 3 个 气 膜 孔 对 弯 头 传 热 分 布 规 律 影 响 不 大 , 仅 在 孔 附 近 区 域 产 生 强 化 。 下 游气 膜 孔 由 于 沿 程 压 力 损 失 , 抽 吸 量 显 著 降 低 , 抽 吸 对 传 热 的 强 化 效 果 减 弱 。 同 时由 于 主 流 流 量 的 减 小 , 传 热 在 下 游 第 五 个 肋 片 后 弱 于 带 肋 通 道 。(a) 光 滑 通 道(b) 带 肋 通 道(c) 抽 吸 通 道图 3.1 Re=50000 工 况 下 不 同 通 道 的 表 面 努 塞 尔 数 分 布19