一種旋轉(zhuǎn)沖擊射流復(fù)雜流態(tài)及換熱效果的評價裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及研究旋轉(zhuǎn)沖擊射流的流態(tài)與傳熱現(xiàn)象技術(shù)領(lǐng)域，特別一種涉及旋轉(zhuǎn)沖擊射流復(fù)雜流態(tài)及換熱效果的評價裝置及方法，具體是關(guān)于一種旋轉(zhuǎn)射流未充分發(fā)展和充分發(fā)展射流流態(tài)及傳熱特性這一科學(xué)問題展開基礎(chǔ)性的實(shí)驗(yàn)研究，同時可應(yīng)用于汽輪機(jī)葉片沖擊均勻化冷卻單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，燃燒器的噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電子元器件均勻高效冷卻、高溫板材大面積均勻化冷卻等領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)研究，以及可以制作為一種理解旋轉(zhuǎn)射流復(fù)雜流態(tài)及傳熱現(xiàn)象的通用教研工具。
【背景技術(shù)】
[0002]在現(xiàn)有傳熱的強(qiáng)化技術(shù)中，沖擊射流是提高局部傳熱系數(shù)最有效的方法之一。然而單個光滑圓孔射流的大量實(shí)驗(yàn)表明:沖擊靶面的傳熱系數(shù)會形成“鐘形”分布，即努塞爾數(shù)在駐點(diǎn)區(qū)附近具有最大值，之后從駐點(diǎn)區(qū)開始沿徑向呈指數(shù)規(guī)律迅速遞減。
[0003]以渦輪葉片冷卻為例，通常采用的不同陣列形式的光滑圓孔群沖擊冷卻渦輪葉片，被冷卻區(qū)域溫度的顯著下降，使得整體表面溫度分布很不均勻，導(dǎo)致壁面形成“冷斑”，這樣會產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，因此光滑圓孔陣列沖擊冷卻結(jié)構(gòu)會嚴(yán)重削弱葉片的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。
[0004]射流沖擊冷卻具有冷卻快，冷效高，流阻小等特點(diǎn)，被廣泛采用，但采用這種冷卻技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)高效冷卻的同時，如何解決冷卻的不均勻是實(shí)現(xiàn)高溫部件低熱應(yīng)力、高可靠運(yùn)行的核心關(guān)鍵問題之一。旋轉(zhuǎn)射流的提出，使沖擊氣流在通過能激發(fā)旋轉(zhuǎn)射流的噴嘴后，噴出氣流除了軸向速度以外，還會產(chǎn)生切向旋轉(zhuǎn)速度，這樣不僅增強(qiáng)了沖擊空間氣流的擾動，同時也使沖擊核心區(qū)向外拓展了沖擊射流有效冷卻面積，從而有望實(shí)現(xiàn)沖擊靶面的換熱均勻化。然而，目前就旋轉(zhuǎn)射流的旋轉(zhuǎn)射流沖擊冷卻流態(tài)及換熱機(jī)理，缺少相關(guān)的系統(tǒng)化實(shí)驗(yàn)研究及其裝置。
[0005]旋轉(zhuǎn)沖擊射流相對傳統(tǒng)的圓孔沖擊射流，首先是幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及到噴嘴的結(jié)構(gòu)形態(tài)(如螺旋升角，螺旋槽個數(shù)、槽型尺寸、面積比等)，沖擊孔到靶面距離、靶面形狀、射流空間形態(tài)、冷卻介質(zhì)的物性參數(shù)、流動狀態(tài)、靶面熱流密度等都會對流動及換熱效果產(chǎn)生影響，要搞清楚這些因素之間的關(guān)系，就需要進(jìn)行基礎(chǔ)性的實(shí)驗(yàn)研究，目前還沒有一個綜合基礎(chǔ)性的實(shí)驗(yàn)裝置，來開展旋轉(zhuǎn)沖擊射流流態(tài)與換熱效果的深入研究。
[0006]現(xiàn)有的單個圓孔射流實(shí)驗(yàn)裝置存在以下不足:
[0007]I)現(xiàn)有裝置只能測量噴射氣流量和噴嘴出口的平均速度，不能測定噴嘴出口氣流的脈動速度、頻率和紊流度。也就是說只能分析定常穩(wěn)定流動的噴射氣流，而不能測定伴有脈動頻率或復(fù)雜旋渦狀態(tài)的噴射氣流。
[0008]2)現(xiàn)有裝置簡單地采用定性方法分析射流空間的流場，幾乎沒有定量測定射流空間的流動參數(shù)及其演化過程。
[0009]3)現(xiàn)有裝置沒有對射流空間給出明確的界定，通常都是自由射流空間，即沒有上檔板限制的射流空間。
[0010]4)現(xiàn)有裝置都是簡單地估算靶面的系統(tǒng)熱損失，這樣勢必不能準(zhǔn)確確定靶面的換熱效果。
[0011]5)現(xiàn)有裝置噴嘴結(jié)構(gòu)形式單一且相對固定，不易更換試驗(yàn)噴嘴。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]為了克服現(xiàn)有沖擊射流實(shí)驗(yàn)裝置測量數(shù)據(jù)量少，準(zhǔn)確度偏低的缺點(diǎn)；同時拓展實(shí)現(xiàn)研究復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)沖擊射流流動及傳熱現(xiàn)象，本發(fā)明的目的在于提供一種旋轉(zhuǎn)沖擊射流復(fù)雜流態(tài)及換熱效果的評價裝置及方法，具有準(zhǔn)確率高的特點(diǎn)。
[0013]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為:
[0014]—種旋轉(zhuǎn)沖擊射流復(fù)雜流態(tài)及換熱效果的評價裝置，包括實(shí)驗(yàn)臺架8，實(shí)驗(yàn)臺架8的四根立柱上均設(shè)置有標(biāo)尺14，實(shí)驗(yàn)臺架8頂部橫梁處設(shè)置有三自由度機(jī)械臂17，實(shí)驗(yàn)臺架8上部中間設(shè)置有集氣室1，集氣室I進(jìn)口處設(shè)置有預(yù)留煙線與示蹤粒子接口 3，集氣室I底部通過法蘭連接穩(wěn)定直管段4，穩(wěn)定直管段4通過噴嘴卡具5卡裝有旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)射流噴嘴6;旋轉(zhuǎn)射流噴嘴6下部設(shè)置有保溫箱12。
[0015]所述的實(shí)驗(yàn)臺架8四周設(shè)置有保護(hù)檔板18。
[0016]所述的集氣室I內(nèi)部設(shè)置有穩(wěn)流網(wǎng)篩2，穩(wěn)流網(wǎng)篩2由縱橫交叉的金屬薄片構(gòu)成。
[0017]所述的旋轉(zhuǎn)射流噴嘴6，其出口設(shè)置有同一水平高度的可升降透明檔板7、可升降透明檔板7兩端安裝于實(shí)驗(yàn)臺架8立柱的可升降槽13上。
[0018]所述的穩(wěn)定直管段4通過端面法蘭4-1與噴嘴卡具5軸向鎖緊連接，噴嘴卡具5與旋轉(zhuǎn)射流噴嘴6周向鎖緊連接，旋轉(zhuǎn)射流噴嘴6與端面法蘭4-1接觸面上設(shè)置有耐高溫密封圈4—2 ο
[0019]所述的保溫箱12包括層疊依次設(shè)置的靶面9、高溫隔熱板10和保溫材料11，保溫箱12安裝于實(shí)驗(yàn)臺架8立柱的可升降槽13上。
[0020]所述的靶面9為不銹鋼金屬薄片，表面設(shè)置有米字型排列或陣列式排列的引壓孔15-1，引壓孔15-1與熱電偶16間隔布置;靶面9兩側(cè)設(shè)置有短路加熱片接口9-1。
[0021]所述的靶面9形狀包括平面、凹凸面和圓弧面。
[0022]所述的可升降透明檔板7和保溫箱12與實(shí)驗(yàn)臺架8的立柱接觸位置均設(shè)置有刻度指針14-1。
[0023]基于上述裝置的旋轉(zhuǎn)沖擊射流復(fù)雜流態(tài)及換熱效果的評價方法，步驟為:
[0024]步驟一、在旋轉(zhuǎn)射流噴嘴6噴射口，設(shè)置熱線風(fēng)速儀22的測速探針;在射流空間平行的一側(cè)設(shè)置三維粒子成像測速儀19，在三自由度機(jī)械臂17上分別安裝有紅外熱像儀21、雙脈沖YAG激光發(fā)生器20，在靶面9上貼有熱流密度儀23的檢測貼片;短路加熱片接口 9-1連接短路加熱器24;集氣室I與靶面9均設(shè)置有測壓管15與熱電偶16，所得數(shù)據(jù)均連接到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)25;
[0025]步驟二、冷卻介質(zhì)進(jìn)入集氣室1，通過穩(wěn)流網(wǎng)篩2穩(wěn)流后進(jìn)入穩(wěn)定直管段4經(jīng)旋轉(zhuǎn)射流噴嘴6激發(fā)后產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)射流沖向靶面9，通過可升降透明檔板7來約束射流空間，通過調(diào)整保溫箱12的高度改變射流空間的距離，噴嘴卡具5可更換不同結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)射流噴嘴6;
[0026]步驟三、熱線風(fēng)速儀22的測速探針測量旋轉(zhuǎn)射流噴嘴6出口氣流的脈動速度、頻率和紊流度;通過預(yù)留煙線與示蹤粒子接口 3加入示蹤粒子(微小的非金屬納米級熒光顆粒)配合三維粒子成像測速儀19和雙脈沖YAG激光發(fā)生器20，能夠捕獲到一對2048x2048分辨率的流場圖像，由流場圖像可以定量給定射流空間內(nèi)射流的三維速度場，進(jìn)而確定射流復(fù)雜漩渦結(jié)構(gòu)的渦量場，從而揭示復(fù)雜旋轉(zhuǎn)射流的復(fù)雜流型及其演化規(guī)律;通過靶面9上的測壓管15測量靶面的靜壓分布;采用熱電偶16測定靶面溫度，同時采用紅外熱像儀21測量靶面的溫度場，這樣熱電偶測量的溫度可以進(jìn)一步修正紅外熱像儀21測量獲得的溫度場;通過調(diào)節(jié)短路加熱器24電流電壓大小來控制靶面9熱流密度；
[0027]步驟四、使用熱流密度儀23測定靶面9實(shí)際的熱流密度q，靶面9的換熱系數(shù)為:h=q/(Tw-To)，式中Tw為靶面溫度，To集氣室冷卻介質(zhì)溫度，靶面的理論熱流密度qQ(W/m2)，q0 =IU/A由靶面短路加熱器電流I乘靶面兩端的電壓U得出，精確得出不同工況條件下的裝置系統(tǒng)熱損率。
[0028]本發(fā)明為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確調(diào)節(jié)射流空間中噴嘴出口至靶面的沖擊距離，設(shè)計(jì)了可升降透明檔板7與可升降的保溫箱12。通過松開鎖緊螺釘便可實(shí)現(xiàn)檔板與靶面保溫箱的上下移動，結(jié)合實(shí)驗(yàn)裝置臺架上的標(biāo)尺，從而直接讀出沖擊距離。激發(fā)旋轉(zhuǎn)沖擊射流的噴嘴6結(jié)構(gòu)形態(tài)非常多，可供選擇的研究樣本量大，采用噴嘴卡具5裝置，可以實(shí)現(xiàn)多個實(shí)驗(yàn)旋轉(zhuǎn)射流噴嘴6的便捷裝卸，同時保證和穩(wěn)定直管段4緊密咬合。
[0029]本發(fā)明的有益效果是:①功能強(qiáng)大，能夠?qū)崿F(xiàn)不同物性參數(shù)的射流介質(zhì)，不同結(jié)構(gòu)形態(tài)的試驗(yàn)噴嘴、不同形態(tài)射流空間、不同形態(tài)靶面及其加熱條件下的單孔或者多孔沖擊射流冷卻實(shí)驗(yàn);②測試數(shù)據(jù)詳實(shí)，在流場測量上，測量噴嘴出口氣流的脈動速度、頻率和紊流度，同時也能定性定量測定射流空間流場形態(tài)及流動參數(shù);通過“米”字型集群測點(diǎn)布置方式，測定靶面的表面靜壓和溫度。③測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高，使用示蹤粒子(微小的非金屬納米級熒光顆粒)與三維粒子成像測速儀19，在線記錄射流空間的流場、速度場及渦量場。采取點(diǎn)一場結(jié)合方式，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測定靶面溫度。④本發(fā)明可制作為一種理解旋轉(zhuǎn)射流復(fù)雜流態(tài)及傳熱現(xiàn)象的通用教研工具。
【附圖說明】
[0030]圖1是本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031]圖2是噴嘴卡具5結(jié)構(gòu)圖，其中圖2A為正視圖，圖2B為剖視圖。
[0032]圖3是靶面9測點(diǎn)布置示意圖，其中圖3A為米字型布置示意圖，圖3B為陣列型布置示意圖。
[0033I圖4是實(shí)驗(yàn)臺標(biāo)尺14的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖對本
【發(fā)明內(nèi)容】
作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。
[0035]本發(fā)明提供了一種用于旋轉(zhuǎn)射流流態(tài)及換熱效果的實(shí)驗(yàn)裝置和評價方法，在該實(shí)驗(yàn)臺上，可進(jìn)行圓孔、激發(fā)旋轉(zhuǎn)射流的單孔及不同排列形式的多孔射流沖擊流態(tài)及換熱效果的研究。本實(shí)驗(yàn)臺可模擬各種射流沖擊冷卻，獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以直接應(yīng)用到?jīng)_擊冷卻的研究結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
[0036]如圖1所示，旋轉(zhuǎn)沖擊射流復(fù)雜流態(tài)及換熱效果的評價裝置，包括實(shí)驗(yàn)臺架8，實(shí)驗(yàn)臺架8的四根立柱上均設(shè)置有標(biāo)尺14，實(shí)驗(yàn)臺架8頂部橫梁處設(shè)置有三自由度機(jī)械臂17，實(shí)驗(yàn)臺架8上部中間設(shè)置有集氣室I，集氣室I進(jìn)口處設(shè)置有預(yù)留煙線與示蹤粒子接口 3，用于直觀觀測和拍攝旋轉(zhuǎn)射流流場的形態(tài);集氣室I底部通過法蘭連接穩(wěn)定直管段4，穩(wěn)定直管段4通過噴嘴卡具5卡裝有旋轉(zhuǎn)射流噴嘴6;旋轉(zhuǎn)射流噴嘴6下部設(shè)置有保溫箱12。
[0037]所述的實(shí)驗(yàn)臺架8四周設(shè)置有保護(hù)檔板18。
[0038]所述的集氣室I內(nèi)部設(shè)置有穩(wěn)流網(wǎng)篩2，穩(wěn)流網(wǎng)篩2由縱橫交叉的金屬薄片構(gòu)成。
[0039]所述的旋轉(zhuǎn)射流噴嘴6，其出口設(shè)置有同一水平高度的可升降透明檔板7、可升降透明檔板7安裝于實(shí)驗(yàn)臺架8立柱的可升降槽13上;便于實(shí)現(xiàn)與噴嘴端面保持平齊。
[0040]所述的保溫箱12包括層疊依次設(shè)置的靶面9、高溫隔熱板10和保溫材料11。保溫箱12安裝于實(shí)