题目：粗糙度对微小矩形通道流动与换热的影响分析

在当今社会，航空发动机性能飞速发展，而涡轮叶片耐高温性能提升有限，因此对涡轮机内部冷却结构的设计越发重要。提高涡轮机叶片的换热面积-体积比来增强换热效果是其中的一个可行方法，这一方法可通过在叶片中设计微小通道冷却管道实现。已有的研究表明，微通道中的流动换热特性与常规尺度通道存在较大不同。

本文通过CFD软件数值模拟计算，帮助设计出一套用于探究微小通道表面粗糙度对矩形微通道流动及换热特性影响的实验方案。实验模型选用水力直径为0.4mm的正方形截面直通道组（对称两排，25个并排微通道/组），在入口和出口处各设置一个集气箱，以空气为冷却介质。雷诺数范围100~2000，并对于3组不同表面粗糙度实验件的流动换热特性进行实验及分析。

此外，本文基于线切割工艺加工的粗糙表面真实形态，构建了以正弦曲线旋转体及圆台体为粗糙元的3维微小通道粗糙表面，数值模拟了粗糙度对边长为0.4mm的正方形微通道内流动特性的影响。分析并讨论了相对粗糙度、粗糙元形状以及粗糙元排列方式对微通道内流动的影响。研究结果表明：层流状态下，粗糙微通道内的Po数与Re数近似线性相关；当粗糙元形状及排列方式不变时，微通道压降随着粗糙元高度的增加而增加；对由相同高度、体积和排列方式的圆台体及正弦曲线旋转体粗糙元，含圆台体型粗糙元的微小通道压降较大；粗糙元在壁面的分布对矩形微通道沿程压降及Po数的影响不大。