航空动力学报
JOURNAL OF AEROSPACE POWER
1999年 第14卷 第3期 Vol.14 No.3 1999



叉排扰流柱排列参数对旋转矩形通道对流换热特性的影响
吉洪湖　玉宝官　王代军　邓化愚
　　【摘要】　本文用实验的方法研究了叉排扰流柱阵列的排列参数对旋转矩形通道对流换热特性的影响。实验共采用了6个模型，扰流柱的排列参数Sn／d的取值为5.0，6.5和8.0，Sp／Sn为1.2，1.6和2.0，其中d为扰流柱的直径，Sn为扰流柱横向间距，Sp为2倍的纵向间距。结果表明，在实验范围内，纵向排列参数Sp／Sn的取值介于1.2和1.6之间为好；扰流柱横向排列参数Sn／d=5，即最密时，最有利于换热，但应综合考虑其引起的流阻损失。
　　主题词：旋转　对流换热　实验
　　自由词：扰流柱　矩形通道
　　分类号：V231.1　TK124
EFFECT OF ARRANGEMENT OF STAGGERED PIN FINS ON HEAT TRANSFER OF ROTATING RECTANGULAR DUCTS
Ji Honghu and Wang Baoguan
（2nd Dept.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing　210016）
Wang Daijun and Deng Huayu
（Department of Power Engineering，Xindu　610500）
　　ABSTRACT　　An experimental research was conducted to investigate the effect of the arrangement of staggered pin fins on convective heat transfer of rotating rectangular ducts.Six test models were used in this experiment, which cover a parameter range of Sn／d=5.0,6.5 and 8.0，Sp／Sn=1.2,1.6 and 2.0,where d is the diameter of the pin fin,Sn and Sp,are the transverse space and twice the axial space between pin fins respectively.The results in the experimental range show that,the axial parameter,Sp／Sn between 1.2 and 1.6 will give the best result;in the transverse direction Sn／d=5.0 gives the highest heat transfer coefficient,but the pressure drop caused by this arrangment should be considered.
　　Key　Words　Pin fin　Rotating　Rectangular duct　Heat transfer　Experiment
1　引　言
　　国外对旋转管流的研究着手较早。如在50年代Barua［1］等人就开始对旋转光滑管内的流场、压力场、温度场进行了分析研究；此后人们（如Harasgama［2］）对多种截面形状的旋转通道的传热进行了研究。近年来，粗糙管旋转换热的研究受到了人们的重视，如Zhang和Chiou［3］研究了带肋矩形截面蛇形通道的换热特性；Hsieh和Liu［4］研究了两面光滑、两面带肋的方管和矩形管的换热特性；Hsieh 和Hong［5］对单通道粗糙方管的换热特性作了研究。以上这些研究一般认为旋转将加强换热，但对通道各个表面的局部换热特性，各研究的结果有所不同。
　　国内对旋转涡轮叶片内冷通道的换热也作了一些工作，如王宝官和丁小江［6］进行了旋转光滑圆管的换热研究；王武［7］作了旋转光滑方管和收缩通道的换热实验。本文作者［8］对一个带有叉排扰流柱阵列的矩形通道在旋转状态下的对流换热进行了初步的实验研究。实验结果表明：在雷诺数（定义为Re≡ρVD／μ，其中D为通道无扰流柱处的当量直径）的试验范围内(12000～45000)，在相同转动数（Ro≡ΩD／V）下，Re越大，换热系数增加得越多；旋转不仅增加了通道后表面的换热，也增加了前表面的换热，且换热随Ro的增加而增加；由于通道内扰流柱的影响，沿通道轴向换热系数是单调增加的。为了研究叉排扰流柱的排列参数对传热特性的影响，本文对6个实验模型进行了比较研究。
2　实验模型
　　本实验所用的实验装置在参考文献［8］中已作了详细的描述，本文不再重复。实验模型的结构如图1所示。通道无扰流柱处的最大截面积A为52×8mm2，对应的当量直径D（≡4A/C）为13.8mm。模型通道全长270 mm，其中无扰流柱的不加热段长为58 mm，由胶木材料制成，起整流和模型安装的作用；带扰流柱的加热段长为212 mm，这一段的通道壁面（厚为3 mm）和扰流柱均采用黄铜材料制作。直径d为2 mm的横穿通道的扰流柱按叉排方式排列，其排列参数由表1给出。


图1　(a)模型结构和扰流柱的排列形式；(b)前、后表面的定义（顶视图）
表1　实验模型的几何参数

模型号123456
Sn／d6.56.56.55.08.0光滑通道
Sp／Sn1.22.01.62.02.0光滑通道
Ar／A15.4%15.4%15.4%23.1%15.4%0

　　其中Sn为扰流柱横向间距，Sp为2倍的纵向间距，Ar为扰流柱总阻塞面积。模型5是参考文献［8］中所采用的模型，模型6是光滑通道为参考模型。通道轴线与旋转轴线垂直，矩形通道的长边与转轴平行，冷却气流径向朝外。
3　实验结果分析
　　影响带扰流柱阵列的旋转矩形通道换热的主要因素有：雷诺数Re、转动数Ro、雷莱数Ra（≡ZΩ2β△TD3Pr／ν2）、普朗特数Pr（≡μcp／λ）、模型的轴向位置Z／D，扰流柱的排列形式及参数Sn／d，Sp／Sn和Ar／A等。在本实验中Pr为0.72，Ra数为5×105量级。实验数据采用与参考文献［8］相同的方法处理。
3.1　雷诺数Re、转动数Ro及通道轴向位置的影响
　　作为参考，图2给出了光滑通道在静态时的壁面各点局部努塞尔数Nus（≡hD／λ）在不同雷诺数Re时沿通道轴向的分布（注：图中通道前表面和后表面的实验点用相同的符号表示，但前表面各点的连线为实线，后表面的连线为虚线）。在同一雷诺数下，在通道进口处，Nus数较大，随着Z／D的增大，Nus数先不断降低，然后趋于平缓，在轴向位置Z／D大约为20的地方（相当于模型通道的中部）换热系数最低，然后缓慢增加，在通道出口附近增加的速度较大。这主要是由于Z／D较小时，附面层较薄，对流换热比较显著，因而Nus数较大。随着Z／D的增大，附面层变厚，不利于对流换热，导致Nus数逐渐下降。在Z／D＞20后，换热系数也有所回升。前后表面的实验结果重复得很好表明系统的实验误差可忽略。


图2　光滑通道静态时Nus沿通道轴向随Re的变化
　　在静止状态下，当相同雷诺数Re时，有扰流柱的模型沿着通道轴向各点的局部换热系数与光滑通道模型对应点的换热系数有明显的区别。模型1～模型4的实验结果与模型5的结果［8］相类似(图3)，随着Re数的增加，各测点局部Nus都增大；随着Z／D的增加，Nus呈单调上升的趋势。在通道进口附近，Nus升高得较缓慢，随着Z／D的增加，Nus的增加速度不断加大，到出口附近Nus的升高幅度最大，这主要是由于扰流柱的存在，使得沿Z方向紊流度不断加大的原因。

图3　模型5静态时Nus沿通道轴向随Re的变化
　　旋转对光滑通道的换热的影响可由图4(a)看出，图中纵坐标Nu／Nus反映了旋转时通道的努塞尔数与同一通道静止时的努塞尔数之比。在给定的转动数Ro下，通道前表面从进口一直到出口附近各点的Nu／Nus值几乎不变或略有下降，只是到出口时，才有所增加。而后表面各点的换热能力都高于前表面的对应点。并且转动数越大，前后表面换热系数的差异越大。这主要是由于后表面为压力面，边界层趋于不稳定，有大尺度的涡存在，而前表面为低压面，边界层较稳定，向紊流的转捩较后表面为晚［9］。旋转对带扰流柱的各模型的换热影响是类似的，作为例子图4(b)给出了模型5的Nu／Nus分布。可以看出，首先旋转提高了通道的换热能力，并且转动数越大换热能力的提高幅度越高；另外，前后表面换热特性的差异变小（参见文献［8］），且都随通道轴向距离的增加而单调上升。


图4　模型6和模型5不同转动数时Nu/Nus沿通道轴向的分布（a．模型6 ； b．模型5）
　　造成各模型Nu／Nus沿通道轴向呈上述分布的一部分原因是当Z／D变大时，各局部点离心浮升力增大，导致近壁处气流的扰动加强，有利于换热。另一部分原因是实验中流动处于进口段，在靠近进口处气流速度分布较均匀，哥氏力引起的二次流较弱，对换热影响较小。随着Z／D的增大，在中心区域流体的速度逐渐增大，而靠近壁面的附面层内的气流速度较小，受哥氏力作用产生的二次流加强，增大了通道内的扰动，有利于换热，从而使Z／D较大时，换热增加的程度也加大。
3.2　扰流柱排列参数Sp／Sn对换热的影响
　　模型1，2，3的扰流柱的排列参数Sn／d相同，Sp／Sn不同，其中模型1的Sp／Sn为1.2，模型2的为2.0，模型3的为1.6。比较这三个模型，可说明扰流柱排列参数Sp／Sn对通道换热的影响。首先来看一下这三个模型在静态时Nus/Nu0沿通道轴向的分布（其中Nu0是对应光滑圆管充分发展紊流的平均努塞尔数，即Nu0=0.023Re0.8Pr0.4）。图5是Re=12000时3个模型的比较，图中还加上了光滑通道模型6的实验结果。可以看出，光滑矩形通道的Nus／Nu0值在通道两端约大于1，在通道中间部分约小于1，其平均值约等于1，即静态时光滑矩形通道与光滑圆管的换热接近；带扰流柱的模型1，2，3的换热明显大于光滑通道模型6，且Z/D越大，这种趋势越明显，模型3出口处Nus甚至已达光滑管Nu0的4倍。这些都说明扰流柱对通道内的换热有极大的强化作用。图5还表明模型3各点的Nus／Nu0值都比模型2约大0.5左右；模型1的换热沿通道轴向的分布与前两个模型有所不同，在Z/D＜22时，换热沿轴向的变化很小，当Z/D＞22之后，换热开始缓慢地单调增加。在Z/D＜22时，模型1的换热最好，当Z/D＞22之后，模型1的换热反而小于模型3，但仍大于模型2。


图5　模型1，2，3，6在静态时Nus/Nu0的比较
　　图6是旋转状态（Ro=0.1）下模型1，2，3，6的Nu／Nu0沿通道轴向的分布。图中曲线的变化趋势与图5静态时的趋势是基本一致的。但是从前面对Ro数的分析中可知，此时的值都比对应雷诺数下静态时的值大。事实上，与Ro=0.02和0.06时的实验相比较说明（因篇幅限制，本文未给出曲线图），转动数Ro越大，Nu／Nu0的值越大。另外，转动时，各模型后表面的换热都略大于前表面的换热。

图6　模型1，2，3，6在Ro=0.1时Nu/Nu0的比较
　　Sp／Sn这个参数实际上反映了上游扰流柱的尾迹对下游扰流柱及通道壁面换热能力的影响。在实验所考察的范围内，Sp／Sn的取值选在1.2和1.6之间较好。
3.3　扰流柱排列参数Sn/d对换热的影响
　　参数Sn／d反映了扰流柱阵列内横向排列的疏密程度，在一定的程度上也反映了通道的阻塞面积比。它对通道换热的影响通过比较模型2，4，5的结果来说明。图7(a)和图7(b)是静止状态下Re=12000和25000时模型2，4，5，6的Nus/Nu0沿通道轴向的分布。在这些图中可以看出模型2和5沿轴向的换热变化规律差别非常小，而模型4的换热要比这两个模型高得多，光滑通道模型6的换热仍然远远小于扰流柱通道。沿通道轴向，模型2，4，5的换热都是单调增加的，通道出口附近，大约在Z／D＞22之后，各模型的换热增加得较快，且模型4的这种特征尤为明显。图7(a)(Re=12000)与图7(b)(Re=25000)的比较显示：Re较大时，模型2的换热优于模型5，即雷诺数对模型2的影响较大。


图7　模型2，4，5，6在静态时Nus/Nu0的比较（a．Re=12000　b．Re=25000）
　　图8是模型2，4，5，6在转动数Ro=0.08时的换热比较。比较图7(a)和图8，可以发现，静态时曲线非常接近的模型2和5的换热分布，当转动数为0.08时二者却拉开了距离，变为模型5的换热明显优于模型2，也即旋转使模型5的换热量增加得更多，模型5对旋转的作用更为敏感。这与雷诺数对这两个模型的作用相反（图7b）。所有这几张图也说明，带扰流柱通道的换热明显大于光滑通道，且越往下游这种趋势越明显。


图8　模型2，4，5，6在旋转时Nu/Nu0的比较
　　无论是静态还是旋转状态下，模型4的换热系数都明显大于其它模型，这是因为模型4的Sn／d最小，扰流柱横向排列最密，换热面积增加的最多。但是，模型4的扰流柱阵列的总阻塞面积比最大，Ar/A为23.1%，而其余模型仅为15.4%。可以推断，模型4的高换热能力必然伴随着高的流阻损失。
4　结　论
　　（1）随着雷诺数Re和转动数Ro的提高，本文所有通道的换热系数都提高，并且，由于通道内扰流柱的影响，换热系数沿通道轴向单调增加。（2）旋转时，光滑通道前、后表面的换热系数升高的程度不同，后表面换热系数高于前表面换热系数；带扰流柱的通道前、后表面的换热系数的差别减小。（3）在实验所用的3个Sp／Sn值(1.2，1.6，2.0)中，1.2和1.6对换热较为有利。（4）在实验所用的3个Sn／d参数(5.0，6.5，8.0)中， 5.0对换热最为有利。但实际应用中应综合考虑由它引起的流阻损失。
作者简介：吉洪湖　男　41岁　教授　南京航空航天大学动力工程系　210016 
作者单位：吉洪湖　玉宝官　(南京航空航天大学)
　　　　　王代军　邓化愚　(燃气涡轮研究院)
参考文献
　1　Bariua S N.Secondary Flow in a Rotating Straight Pipe.Proc．Roy．Soc．A.,1954～1955，227：133-139
　2　Harasgama S P,Morris W D.The influence of Rotation on the Heat Transfer Characteristics of Circular,Triangular and Square-Sectioned Coolant Passages of Gas Turbine Rotor Blades.Journal of Turbomachinery,1988,110:44-50
　3　Zhang Y,Chiou J.Local Heat Transfer Distribution in a Rotating Serpentine Rib-Roughened Flow Passage.Journal of Heat Transfer,1993,115:560-567
　4　Hsieh S S,Liu W J.Uneven Wall Heat Flux Effect on Local Heat Transfer in Rotating Two-Pass Channels with Two Opposite Ribbed Walls.Journal of Turbomachinery,1996,118:864-875
　5　Hsieh S S,Hong Y J.Heat Transfer Coefficients in an Orthogonally Rotating Duct with Turbulators.Journal of Heat Transfer,1995,117:69-78
　6　王宝官，丁小江．模拟涡轮旋转叶片冷却通道换热的初步实验研究．航空动力学报，1989，4(3)：280-282
　7　王武．模拟涡轮叶片内部冷却通道的方管和收缩管的旋转模型的对流换热研究：［硕士学位论文］．南京航空航天大学，1996
　8　王代军，吉洪湖，王宝官．带有叉排扰流柱阵列的旋转矩形通道的对流换热实验研究．重庆：中国工程热物理学会传热传质学学术会议，论文编号973083，1997
　9　Ji Honghu.An Experimental Investigation of Two Rotating Turbulent Shear Flows with Gas-Turbine Applications.PhD Thesis, University of Manchester,Faculty of Technology, 1994
1998年9月收稿；1998年12月收到修改稿。
