挡板风门的换热影响因素分析
减少发动机喷射气流与气流挡板风门的换热量,提高挡板风门内的冷却效果,是控制好面板温度、延长挡板风门的使用期的两个方面.高温喷射气流和挡板风门间的换热量与其换热热阻密切相关.发动机尾部喷射的高温高速气流会在气流挡板风门挡板风门面形成流程短而且薄的空气边界层,在离壁面极近的区域内存在仅靠分子运动的导热传递热量的黏性底层[5],黏性底层之外流体旋涡将加强壁面和喷射气流主流区之间的热量传递.与喷射主流流体不同,边界层内的流体温度由于黏性底层的作用,沿壁面法线方向梯度较大,传热主要包括热传导传递的热量和热对流传递的热量.空气侧热阻包括对流换热热阻和导热热阻.根据气流挡板风门结构,其换热热阻包括空气侧热阻、涂层热阻、面板热阻和水侧热阻.
倾斜气流挡板风门的总热阻为R[6].
式中,ha为空气对流换热系数;hw为冷却水对流换热系数;δ为导热热阻厚度;λ为导热系数;d为冷却水道的定型尺寸;Re为雷诺数;Nu为努塞尔数;挡板风门的Pr为普朗特数;r为挡板风门挡板风门面任一处与滞止点的距离;H为喷口与挡板风门的距离;D为射流喷口直径;ν为运动黏度;x为挡板风门特征长度;U∞为主流流体速度;下标a,w分别代挡板风门空气和冷却水;下标T,M分别代挡板风门涂层和面板.
在整个热阻计算中,空气的导热系数和对流换热系数较小,得到空气侧总热阻占挡板风门总热阻的96%左右,而涂层和面板导热热阻以及水侧对流热阻所占比率分别为2%,1%,1%.因此,板面处的空气边界层对挡板风门换热是影响挡板风门换热的主要因素.增加空气侧热阻,可以有效地控制喷射气流和气流挡板风门之间的换热量.由于气流挡板风门挡板风门面的耐温涂层存在一定粗糙度,对挡板风门挡板风门面的气流黏性底层影响很大,高温高速气流冲击面板时受挡板风门面粗糙度的影响,使喷射气流的空气边界层厚度产生变化,从而影响气流挡板风门空气侧热阻;同时,当气流平稳地沿板面流动时,板面顶部边缘90°的直角也会对气流挡板风门的空气边界层造成很大扰动.本文通过数值模拟的方式来分析挡板风门面粗糙度和倾斜挡板风门顶部倒角对倾斜气流挡板风门的板面空气边界层的影响,进而研究气流挡板风门的换热耐温性能.