基于Leland冷卻器的數值模擬

(中國民航大學航空工程學院 天津 300300)

射流沖擊換熱是一種有源強化局部傳熱及傳質的方法，換熱效率極高，廣泛應用于各個領域。射流沖擊需要的換熱空間極小，能夠有效提高部分區域的換熱系數，廣泛運用于許多工程系統中。

一、Leland冷卻器的數值模擬及分析

主要是對美國Leland等做的微射流矩陣沖擊冷卻實驗進行的數值模擬。主要參數設置：進氣管道直徑為0.5mm，高度為0.4mm，充氣腔高度是0.4mm，射流孔直徑為0.277mm，高度為0.15mm，射流孔間距和孔徑比Xn/d為4.44，射流孔間距為1.23mm，射流孔斜間距為1.74。沖擊高和孔徑Zn/d比為0.96，沖擊高度為0.266mm。整體外部水平面積是22.2mm×22.2mm，內腔水平面積是18.2mm×18.2mm，沖擊換熱面上加工有等寬等高的溝槽0.05mm×0.05mm。

數值模擬主要是對流體和射流沖擊換熱面的冷卻問題進行研究，因此只需考慮流體和換熱面部分的換熱情況，并且為了減少計算時間選擇截取四分之一模型如圖1來進行研究。圖1是MJA模型流體與固體區域圖，藍色部分為固體區域，黃色部分為流體區域。

圖1 MJA四分之一模型

二、計算結果與處理分析

對射流沖擊冷卻面的研究，衡量其換熱效果的標準就是熱壁的溫度分布及大小和熱壁面的換熱系數。去除模型中的熱壁的溫度和換熱系數進行分析。

圖2 熱壁面溫度分布

圖2是沖擊換熱表面四分之一圖，從圖中我們能夠知道，從進口開始，溫度想外擴散，在射流孔中心處的溫度明顯低于射流孔附近區域，但是越離中心區域和出口附近越遠溫度越高，這說明這些地方的換熱不好。在進氣口往下區域換熱效果最好，因為入口段熱邊界層厚度薄，局部表面傳熱系數大，這部分不斷有氣體流入，且氣體流動好，在流動過程中帶走了進氣管口下的溫度，使其換熱效果最好。而在出口位置附近，水平流動呈蝌蚪狀，并且每個射流孔下方溫度都很低，因此可以說明射流孔的存在確實提高了換熱效率，正是符合了單射流的明顯特征便是，換熱主要集中在駐點區而不是壁面流動區。

圖3 兩對稱面及熱壁面的溫度分布

由圖3可以看出，多數射流孔下方溫度都比周圍微小區域溫度低，說明射流孔下方的邊界層薄，溫度低換熱效果好。兩射流孔中間的溫度較高，換熱比較差。在靠近進口下方和出口的位置溫度低，換熱效果好。

三、小結

首先對美國Leland所做的微射流矩陣冷卻器裝置做了簡單的介紹，并對Leland所做的實驗進行數值模擬，進行了詳細的分析，得出在靠近進口下方和出口的位置溫度低，換熱效果好的結論。

【參考文獻】

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