平板單孔氣膜冷卻流動特性的實驗研究

張笑雷，呂騁予

（上海理工大學 能源與動力工程學院，上海 200093）

0 引言

氣膜冷卻的總體效果受到多方面因素的影響，其本身的傳熱機理十分復雜。國內外許多學者對于氣膜冷卻已經做出了大量的研究工作［1］，但隨著氣膜冷卻技術的不斷發展，由于氣動現象的復雜性，很多研究要通過大量實驗找出規律，近幾年國內外學者利用風洞進行了大量的實驗［2－3］，并且結合模擬理論［4－5］來進行分析研究。Bons［6］等人研究了主流湍流度對于氣膜冷卻的影響，發現在湍流度高時，傳熱系數的變化沒有冷卻效率的變化明顯。本文采用先進的熱線風速儀測量系統，對平板氣膜冷卻流場進行實驗研究。分析了在不同吹風比下、不同截面處速度和湍流度的變化，總結了風洞中的平板氣膜冷卻實驗中流場的變化規律，為更好地了解氣膜冷卻的氣動特性和冷卻特性奠定基礎。

1 實驗測量方法及數據采集

本實驗在直流吸入式低速風洞試驗臺［7］上進行，試驗段為225mm×225mm的方管。測量氣膜冷卻的流場速度和湍流度采用IFA300恒溫熱線風速儀測量系統，這套設備帶有熱探針校準器和精密壓力傳感器。本實驗采用TIS-1210-20熱膜單絲探針，探針用固定桿安裝在坐標架上，用坐標架來定位探針的位置。

本實驗中以氣膜孔的中心為零點，并以平板面作為測量平面，設d為氣膜孔直徑，x/d和y/d表示氣膜孔下游位置距離氣膜孔中心水平和垂直方向的無量綱長度。取x/d＝1、x/d＝2、x/d＝5和x/d＝10位置處的截面作為測量截面，沿垂直方向取若干測量點，測點之間間距為1mm，水平方向上混合氣體的速度為u0，湍流度為TI（湍流度是指某一點的脈動速度與平均速度的比值，是反映脈動風速的相對強度、用來描述大氣湍流運動特性的重要特征量）。圖1為平板模型測點布置圖。

圖1 平板模型測點布置圖

本實驗中的冷卻流體由空壓機提供，使用質量流量計控制射流流量。實驗平板中的氣膜孔傾斜角為30°，直徑為20mm，長徑比l/d＝4。測點數據由IFA300恒溫熱線風速儀測量采集，靠近壁面的測點距離壁面為1mm。設定采集頻率為100kHz，采樣時間為20s，主流與冷卻氣體的密度相同，所以定義吹風比M為：

其中：uc為冷卻氣體的速度；u0為主流氣體的速度。

定義主流氣體的雷諾數Re0、冷卻氣體的雷諾數Rec和冷卻氣體的質量流量Qc分別為：

其中：D為實驗段入口處的當量直徑；v為空氣動力黏滯系數。本實驗工況設定為M＝0.5、M＝1.0、M＝1.5、M＝2.0。已知主流氣體速度時，根據式（1）得出冷卻氣體的速度，再由式（4）得出冷卻氣體的質量流量，再通過質量流量計來控制冷卻氣體流量來達到符合吹風比的實驗工況。

2 實驗數據整理與分析

2.1 速度u0的分布特點

通過調節風洞的風機，使主流氣體速度穩定在8 m/s，測出主流的雷諾數為1 184 210，再調整冷卻流體的質量流量來調整吹風比，測出x/d＝1、x/d＝2、x/d＝5、x/d＝10位置處截面的速度分布，見圖2。

圖2 不同實驗工況下速度u0沿垂直方向的分布

由圖2可以發現，在不同的吹風比下，速度u0的變化趨勢都是沿著垂直方向逐漸增大，達到峰值后再逐漸減小最后變穩定。這是由于冷卻空氣從氣膜孔射入主流后，在主流的擾動作用下發生了彎曲，并在彎曲處產生了切向速度，所以冷卻空氣對主流的影響主要產生在彎曲處到與主流平行的這段區域內。圖2中顯示的最大速度點大于主流速度的原因是冷卻空氣的速度與主流速度在水平方向產生了速度疊加。當吹風比相同時，隨著x/d的增大，速度u0的最大值也在逐漸遠離平板；當x/d相同時，隨著吹風比M的增大，速度u0的穩定值也在逐漸遠離平板且最大速度逐漸增大。產生這一現象是由于吹風比增大所以冷卻空氣從氣膜孔出來的動能增大，從而使冷卻氣流的剛性增強，不易彎曲。

由圖2可見，吹風比M在0.5～1.0時，靠近氣膜孔處冷卻流體速度在主流的作用下變化明顯，隨著x/d的增大變化逐漸減弱。當吹風比M為1.5和2.0時，冷卻流體從氣膜孔出來時對主流的影響明顯，隨著x/d的增大，冷卻流體與主流之間的擾動影響仍然較大；并且相同位置處M＝2.0時的氣膜厚度最大，而且氣膜厚度隨著x/d的增大而增大。但是在高吹風比下，在冷卻氣流與主流更為劇烈的擾動摻混的作用下，在氣膜孔中心線兩側產生一對反向旋轉的腎形漩渦，它們對主流產生卷吸作用把主流卷吸到冷卻氣體的下方，影響了冷卻效率，使得氣膜冷卻效果惡化。而且吹風比增大時，冷卻氣流的初始動能增大，使得形成的腎形渦旋的尺寸與強度也相應增大。

2.2 沿平板流動方向的速度矢量分析

速度矢量是分析流場結構域速度場分布的重要物理量，圖3為吹風比M分別為0.5、1.0、1.5和2.0時單孔平板實驗模型沿著與平板垂直的中心線的速度u0的矢量分布。從圖3可以看出，隨著吹風比M的增大，貼近氣膜孔附近的速度梯度變化較大，冷卻氣體逐漸遠離平板并且速度最大值的垂直位置也在逐漸升高，M＝0.5時的速度u0變化沒有M＝1.5和M＝2.0時明顯。當吹風比M＝0.5時，在氣膜孔下游x/d＝5處沿垂直方向的速度分布均勻，變化不大。但當M＝2.0時，相同位置的速度矢量依然高過主流速度，冷卻氣體依然對主流氣體有加速的作用。

圖3 沿平板流動方向不同吹風比下的速度矢量分布

產生上述問題的主要原因是：隨著吹風比M的增大，在氣膜孔下游產生的一對反向腎形渦旋的尺寸與強度增大，并且高吹風比導致渦旋中心被抬高，使得冷卻氣體被吹離平板平面，主流氣體由于吸卷作用被吹到了冷卻氣流下方，與壁面直接接觸，從而嚴重影響了冷卻效果。而反觀吹風比M較小時，冷卻氣體的動能較小，所以相對于主流的穿透能力較弱，從而能更好地貼附在平板表面，有更好的冷卻效果。

2.3 湍流度分布的特點分析

湍流度對于流場特性與氣膜冷卻效率有著不可忽視的作用，所以更好地了解湍流中的各種尺寸結構特性，能優化氣膜冷卻的流場結構，從而有效地提高冷卻效率。

圖4體現出了在不同的吹風比下湍流度TI沿垂直方向的分布特點。實驗結果表明，相同的吹風比下靠近平板位置處的湍流度最大，并且湍流度沿著垂直方向（y/d）逐漸減小，之后又增大產生了一個峰值然后再漸漸減小，并且這個峰值沿著主流方向逐漸抬高遠離平板，靠近平板壁面的湍流度和這個峰值也沿著主流的方向逐漸減小。隨著吹風比M的增大，冷卻氣體的初始動能與初始速度增大，沿主流方向上同一位置處的湍流度TI增大，而且湍流度的峰值也在漸漸遠離平板。對比圖2的速度u0可以發現，主流與冷卻氣體之間的流動類似于圓柱擾流流動，主流由于冷卻流體從氣膜孔噴出形成的阻隔氣膜而形成繞流流動，而冷卻流體則發生彎曲貼附在平板上形成氣膜。在氣膜的表面是主流與冷卻氣體間發生互相擾動與換熱最劇烈的地方，所以在離開平板的位置出現了湍流度的另一峰值。當冷卻氣體穿透主流后不僅速度迅速降低而且流動方向也慢慢與主流保持平行，此時湍流度迅速減小，最后當冷卻氣體的流動方向與主流方向相同時，冷卻氣體不再對主流產生影響，此時流場內流動穩定。而當吹風比M＝1.0時，湍流度明顯增大，但沿著主流方向的湍流度變化比較平緩，數值上沒有明顯的變化，這說明在氣膜形成的區域，主流與冷卻氣體之間的互相作用比較穩定，氣膜能很好地貼附在平板上，產生更好的冷卻效率。當吹風比M＞1.5時，在冷卻流體彎曲段的下方，湍流度發生震蕩，各個測點所測的湍流度不能很好地區分與反映當時流場，這是由于當吹風比較大時，冷卻氣體的湍動程度高，所以冷卻氣體與主流在氣膜孔附近摻混劇烈，使得冷卻氣體對氣膜孔較遠下游處依然有較大影響，導致該測點的湍流度發生震蕩。吹風比M＝2.0時，由圖4可知此時形成的氣膜厚度是4個工況中最厚的，但氣膜的覆蓋面積與效果卻是4個工況中最差的。M＝2.0時沿主流方向上的湍流度有著較多的明顯凸起，說明此時冷卻氣體與主流之間的摻混擾動程度較高，不利于冷卻氣膜的形成與發展，降低了冷卻效率。

所以當吹風比M較小時，冷卻氣體的出口動能相對較小，所以在主流的作用下能更加容易地貼附在平板壁面上。但隨著湍流度的增大，主流中的擾動會增大來破壞動能較小的冷卻氣體，導致冷卻氣體所形成的氣膜覆蓋尺寸變小。當湍流度TI較大時，不僅冷卻氣體的結構不能完全發展，而且在湍流度較高的位置處主流與冷卻氣體會發生劇烈的摻混作用，使傳熱系數提高，從而使得冷卻壁面的溫度提高，降低了氣膜對于平板壁面的冷卻保護作用與冷卻效率。

3 結論

沿氣膜孔下游主流方向上的速度矢量u0分布呈中心低邊緣高的情況，這是由于主流對冷卻氣體的彎折作用較強造成的；當吹風比M較小時，冷卻氣體動能較小，能更好地粘附在平板冷卻壁面上，形成較好尺寸的冷卻氣膜；當吹風比M增大時，冷卻氣體動能增大，對主流產生卷吸作用，在氣膜孔下方形成尺寸與強度較大的腎形渦，使得冷卻氣體被抬離冷卻壁面，降低了冷卻效果；當吹風比M＝1.0時，湍流度的變化比較平緩，氣膜能較好地貼附在冷卻平板上，提高冷卻效率。

圖4 不同實驗工況下湍流度TI沿垂直方向的分布

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