微阵列射流冲击肋化表面传热特性研究

本文以去离子水为工质,对微阵列射流冲击光滑和肋化表面的传热特性进行了实验研究,并以光滑表面传热性能为基准,讨论了肋化表面强化因子(ε)变化规律。实验结果表明：(1) 浸没和自由射流的传热系数均受无量纲射流距离(H/d)影响;提高射流Re数和减小无量纲孔间距(S/d)都能够增强换热。(2)浸没射流ε受H/d影响大,而自由射流ε基本不受H/d影响;两种射流方式的ε都随Re数增大,且渐趋于一个常数。(3)对流热阻在各种射流情况下均随流量不断下降,但下降趋势逐渐平缓,当流量大到一定时,热阻基本不再降低。     

带集气腔的脉冲射流冲击换热实验和数值研究

实验和数值研究了带集气腔的单股脉冲射流冲击平直靶面对流换热特性。实验测试的脉冲频率(f)为5~40 Hz,射流雷诺数(Re)为5 000~15 000,脉冲占空比(R)为0.2~0.8,射流冲击间距比(H/d)为2~10;相对于实验测试,数值计算的参数范围有所拓宽,即5 Hz≤f≤200 Hz,5 000≤Re≤20 000,0.2≤R≤1.0。研究结果表明,与无集气腔脉冲射流相比,带集气腔的脉冲射流能够增强对流换热,在驻点附近的努塞尔数大约有8%~19%的提高;集气腔的存在,在射流出口处形成紧缩效应而提高脉冲值班阶段的射流趋近靶面速度,同时在非值班阶段能够形成一定的流动惯性效应。在研究的参数范围内,存在特定的、相对较优的脉冲参数,如f=80 Hz,R=0.8,对于受限空间的脉冲射流冲击,H/d=4是相对较优的射流冲击间距比。      

周期性湍流射流冲击下的传热与流场特征

实验研究了周期性变化的湍流射流冲击平板时的传热和流场特性,对实验现象和射流冲击强化传热机理进行了探索和分析。利用一个特殊的质量流量控制装置产生周期性的冲击射流,采用典型的正弦和矩形变化的射流,在不同频率下进行实验。研究表明,两种周期性射流冲击传热性能有很大差异,矩形冲击射流的传热性能优于正弦冲击射流,提高频率有助于射流冲击传热的强化。用粒子图像测速(PIV)技术对流场进行锁相实验测量,研究表明,在较高频率下,阶跃变化的矩形射流冲击时整个变化周期内平板表面处于强烈的冲击和涡流不断的产生和传播状态,从而能有效地强化对流换热过程。平缓连续变化的正弦射流的锁相平均速度场低于矩形射流,卷吸和冲击作用、涡流的形成和传播过程均没有矩形射流冲击下那么强烈,从而导致换热强化效果相对较弱。     

微阵列射流冲击肋化表面传热特性

以去离子水为工质,对微阵列射流冲击光滑和肋化表面的传热特性进行了实验研究,并以光滑表面传热性能为基准,讨论了肋化表面强化因子(ε)变化规律.实验结果表明:①浸没和自由射流的传热系数均受无量纲射流距离(H/d)影响;提高射流Re数和减小无量纲孔间距(S/d)都能够增强换热.②浸没射流ε受H/d影响大,而自由射流ε基本不受H/d影响;两种射流方式的ε都随Re数增大,且渐趋于一个常数.③对流热阻在各种射流情况下均随流量不断下降,但下降趋势逐渐平缓,当流量大到一定时,热阻基本不再降低.      

压电驱动自耦合射流冲击冷却特性的实验

利用热线风速仪测量了二维狭缝自耦合射流的速度和湍流度变化,获得了激发器输入电压、频率对自耦合射流的影响规律,获得了激发器的最佳激励电压和频率值;并将自耦合射流应用于冲击换热,通过红外热像仪得到了不同加热功率下加热靶板对流换热系数分布。实验结果表明:(1)在冲击间距比小于20时,射流处于发展区内,冲击冷却效果较差;(2)冲击间距比大于20以后,射流完全形成并趋于稳定后,冲击靶板的换热效果较好;(3)但由于射流速度随着距离增大而衰减,换热效果在冲击间距比为80时达到最佳。      

半封闭肋化通道射流冲击换热特性的数值计算与实验验证

 运用数值计算的方法对半封闭肋化通道单排孔射流冲击冷却进行了三维模拟,并采用红外热像测试技术对冲击靶面的温度分布进行了实验研究,揭示出各种流动参数和几何参数对冲击射流传热特性的影响规律。研究结果表明：数值计算与实验特征基本吻合;冲击间距对肋化部分的换热影响较大,在本文研究范围内,Z-n/d=1时壁面射流区的换热效果最好;由于产生了两个方向的二次流,V型肋化通道在壁面射流区获得了最佳换热效果。     

冲击射流的彩虹纹影实验研究

超声速冲击射流在短距、垂直起降飞行器（S/VTOL）以及火箭发射等方面应用广泛,但是伴随着流场与噪声等诸多方面的问题。要研究这一类问题,必先研究这一类超声速流动的波系结构。文章利用彩虹纹影测量系统,对不同距离不同压比的冲击射流进行实验研究,得到了清晰的彩虹纹影实验结果,细致地呈现了冲击射流的波系结构。基于实验结果,对三种不同结构的冲击射流的波系结构进行了详细分析。发现喷嘴与挡板距离较大时,形成的射流结构与自由射流相似,壁面附近的射流区域不明显。随着距离减小,冲击射流出现壁面冲击区附近射流比较剧烈的现象。距离进一步减小时,出现滞止泡等结构,滞止泡的形状与压比相关。此外,实验表明冲击射流形成的马赫盘大小、形状与来流压比相关。     

冠齿脉冲射流冲击平直靶板对流换热实验

采用红外热像测试技术对占空比（DC）恒定为0.5的冠齿脉冲射流冲击平直靶面，在不同雷诺数（5 000～20 000）、无量纲冲击间距（2～8）和工作频率（10～25 Hz）下进行了对流换热实验研究。结果表明：在小射流冲击间距下，冠齿脉冲射流冲击局部努塞尔数云图在射流驻点附近呈现较为明显波瓣状分布；冠齿喷管在脉冲射流冲击中依然体现出强化对流换热的作用机制，雷诺数和工作频率分别为10 000和15 Hz工况下，射流冲击驻点附近的表面传热系数相对圆形脉冲射流提高幅度在20%～30%之间；在冠齿脉冲射流中，脉冲主动激励和冠齿被动诱导激励之间存在着内在的相干机制，导致其对流换热特性与冠齿连续射流和圆形脉冲射流有较大的差异。     

稳态与瞬态冲击射流换热性能实验对比

为了对比研究稳态与瞬态单孔冲击射流的传热性能,采用热色液晶测温技术获取实验件被冲击表面的传热系数分布。实验中改变了冲击雷诺数Re和冲击孔直径比L/d,利用工业相机拍摄实验件凹表面颜色变化过程,计算并对比两种射流条件下局部努塞尔数Nu_D的分布,并与文献值进行比较。研究表明相对于稳态冲击射流,瞬态冲击射流的传热性能更佳。通过记录整个冲击射流过程,得到Nu_D随时间t变化关系。驻点附近NuD随冲击的进行逐渐减小并趋于稳定。随冲击雷诺数Re增大或冲击孔直径比L/d接近6,瞬态冲击射流的强化传热效果逐渐明显,强化效果可达15%以上。     

阵列射流冲击冷却局部对流换热特性的数值计算与实验研究

运用数值计算的方法对具有初始横流的阵列射流在不同的排列方式、不同的冲击间距和不同的横流/射流质量流量比下的流动换热进行了三维数值研究,并采用热色液晶测试技术对阵列射流冲击的冷却表面温度分布进行了试验研究,获得了每一股射流的冲击冷却局部对流换热系数分布的特征。研究结果表明本文的计算结果与实验特征是基本吻合的。     

单排突片激励热射流作用下楔形凹腔表面对流换热研究

为了改善发动机整流支板凹腔防冰结构热气射流冲击换热效果,在常规圆形射流孔上采取了突片激励,通过三维内外流耦合数值模拟的方法研究了突片数量、突片穿透比(l/d)以及射流冲击间距(H/d)对楔形凹腔表面换热的影响。研究结果表明:突片能够提高射流核心区的速度和湍流动能,使得冲击换热效果增强;相对于圆形射流孔,4-tabs,6-tabs和8-tabs所对应的的楔形凹腔表面温度和Nu数分别提高了1.2K,2.3K,2.8K和17%,28%,33%;凹腔表面温度随着突片穿透比的增大而有所提高;射流冲击间距(H/d)对凹腔内部对流换热有很大的影响,无突片激励作用时,H/d=6的凹腔表面最高温度和Nu数比H/d=12提高了7.2K和67%;在突片激励作用下,H/d=6时的凹腔表面最高温度和Nu数分别比H/d=12时提高了8.5K和90%。突片数量和突片穿透比的增大都会引起次流总压损失的增加。     

冲击射流流动换热超大涡模拟研究

为了准确预测发动机热端部件中广泛采用的冲击射流冷却复杂的流动和换热特性,发展了基于BSL k-ω模型的超大涡模拟(VLES)高精度模拟方法,并对高雷诺数Re=4×104,两种不同射流距离2和6的单孔冲击射流及三孔冲击射流这一经典的流动传热问题进行三维非稳态高精度数值计算。同时,将分离涡方法 (DDES)和k-ωSST,RNG,Transition SST三种RANS方法的数值模拟和开发的超大涡模拟(VLES)方法进行对比。研究表明,VLES方法均能够准确捕捉冲击射流流场的复杂非稳态流动及传热特征,包括自由射流区、壁面射流区小尺度涡系和大尺度湍流结构的演化和破碎,同时冲击壁面的换热系数计算结果与实验值吻合较好。DDES方法未能准确捕捉流场复杂的小尺度湍流结构,壁面换热计算结果与实验值差异较大。RANS方法计算的换热结果与实验数据差异最大,基本未能预测到壁面换热特性。在相同的计算网格和计算方法下,VLES方法计算结果优于DDES方法,DDES方法一般好于RANS方法。这表明新开发的VLES方法能够准确地计算冲击射流相关的流动及换热问题。     

半封闭肋化通道射流冲击的实验

运用红外热像测试技术对半封闭肋化通道单排孔射流冲击进行了热像显示实验,揭示出射流雷诺数、冲击间距、肋型排布方式对传热特性的影响规律,并开展了冲击孔流量系数的研究.结果表明:在本文研究范围内,冲击间距与孔径比Zn/d=1时壁面射流区换热效果最好;V型肋化通道在壁面射流区获得了最佳换热效果;冲击孔流量系数随雷诺数增加而变大;在其它工况相同的情况下,V型顺流肋化通道内冲击孔流量系数最大.      

脉冲射流冲击平直表面的对流换热实验

利用红外热像仪测试了脉冲频率为10 Hz和占空比为50%的脉冲射流冲击平直表面的对流换热特性,在射流雷诺数为5 000~20 000、冲击间距比为2~8的范围内,与连续射流冲击换热进行了对比分析。研究结果表明,脉冲射流冲击对流换热系数依然具有随射流雷诺数增加而提高、沿径向急剧降低等基本特征,但是与连续射流相比,脉冲射流冲击引起的射流驻点和壁面射流区的对流换热存在差异,其影响与射流雷诺数和射流冲击间距密切相关;一般而言,在较大的射流冲击间距比下,脉冲射流体现出传热增强的效果,随着射流雷诺数的增加,脉冲射流较连续射流的优势更为明显;而在小射流冲击间距比下,连续射流则更具优势,在Re=20 000下仅当以3倍以上射流管直径作为区域半径进行平均时,脉冲射流才具有略高于连续射流冲击换热的作用效果。     

球面收敛二元扩张矢量喷管热射流特征的实验研究

为了获得球面收敛二元扩张矢量喷管热射流特征，在小型热射流实验台架上运用红外热像显示和流场测量，在总温673～823K、喷管落压比(NPR)1．46～2．25状态下，对不同喉道宽高比、俯仰角和偏航角的热射流特征进行了实验研究。在本研究范围内，NPR对矢量喷管上壁面附面层流动影响不大；在扩张上壁附面层分离的情况下．壁面附近的流线被上抬，形成“马鞍”形异型总压分布；喷121出121下游的激波呈现一连串的“葫芦”状，随喷管矢量角的增大，流场的不对称性越明显；在收扩喷管喉道宽高比（ARi）为2时，热射流被分成两股。     

冠齿喷嘴射流冲击平直靶面对流换热实验

利用红外热像仪测试了冠齿喷嘴射流冲击平直靶面的对流换热特性,在射流雷诺数为5 000~20 000、冲击间距比为1~8范围内,与普通圆管射流进行了对比,并对冠齿数和冠齿长度的影响进行了初步分析。研究结果表明,冠齿射流冲击对流换热显著高于圆形射流,在小冲击间距下,冠齿射流冲击的局部对流换热系数分布在冲击驻点附近呈现明显的梅花瓣状特征,当射流冲击间距比达到4以后,冠齿射流的局部对流换热系数分布则呈现出常规圆形射流冲击的特征;以2倍或4倍射流直径作为区域平均范围,冠齿射流的区域平均努塞尔数相对圆形射流的增加幅度在15%~30%之间,相对增加幅度与射流雷诺数和射流冲击间距比相关;在本文的冠齿结构参数范围内,冠齿伸出长径比为0.6的6-冠齿结构取得的射流冲击强化传热效果较优。     

冠齿喷管射流冲击半圆形靶面的对流换热

针对具有相同相对曲率（d/D=0.1）的凹形和凸形半圆柱靶面,在典型的雷诺数（Re=5 000~12 000）和无因次冲击距离（H/d=1~8）下进行了射流冲击对流换热的实验研究,同时在特定的射流雷诺数下进行了射流冲击大涡模拟分析,以揭示冠齿喷管在不同形状靶面上的强化传热作用机制。研究结果表明：射流喷管和靶面形状对于射流驻点附近的流场和对流换热具有显著的影响,冠齿喷管出口诱导的流向涡改变了圆形射流发展中的轴对称环形涡内在特征,无论是凹形还是凸形靶面,冠齿喷管相对于圆形喷管都体现出一定的强化射流传热效果;与凸形靶面相比,射流冲击凹形靶面受到凹腔内部的回流影响,导致冠齿喷管射流冲击对流换热的降低。     

侧向射流位置对旋转楔形通道换热分布的影响

在主流入口雷诺数为15000，最大流量比(侧向射流流量和主流流量的比值)与最大旋转数分别为04和023的范围内，实验研究了三个不同位置引入侧向冷气射流冲击对楔形通道内换热分布的影响。实验结果表明:静止状态下，侧向射流冲击只能强化侧向射流孔附近区域的换热；旋转状态下，侧向射流对主流上游的影响区域扩大，并减缓了射流区域的冷气侧向出流，缩小了射流区域内前、后缘面的换热差异，当射流区域的换热效率最高时，该差异最小。为提升通道的平均换热效率，降低旋转对换热的不利影响，侧向射流孔应在通道的中上部，流量比控制在对应的临界值以下。      

基于PIV技术的单圆孔脉冲射流流场特征

对稳态射流及脉冲射流冲击靶板时的流场特性结构进行了探索和分析。采用高频粒子图像测速技术,在射流管口到冲击靶板间距为6倍管径的条件下,对稳态射流进口雷诺数为6 000的稳态射流及脉冲频率为20 Hz的脉冲射流进行了实验测量,得到了射流核心区、壁面射流区及滞止区内的速度分布。研究发现:①由于射流剪切作用的影响,脉冲射流核心区的最大轴向脉动速度为稳态射流的3倍。②滞止区内,由于射流的剪切作用和壁面的滞止作用,导致了脉冲射流轴向速度梯度最大为稳态射流的2倍,同时,滞止区内的最大脉动速度是稳态射流脉动速度的3倍。③脉冲射流对壁面的卷吸以及旋涡的产生和传播过程,破坏了壁面射流区稳定的速度边界层。相比稳态射流,脉冲射流的流场增加了湍流相干结构的含能并产生周期性的大尺度卷吸涡。     

超声速气流中横向射流雾化实验和数值模拟

为了对超声速气流中的横向射流雾化过程进行研究,在直连式实验台上进行了超声速气流中的横向射流雾化实验,并对实验工况进行了数值模拟.超声速来流的马赫数为2,实验喷雾的动压比范围为1.～11.7,实验工质为水.采用纹影法对射流雾化过程进行了拍摄,得到了有雾化的超声速流场结构和穿透深度拟合公式.同时采用欧拉-拉格朗日两相流计算方法对实验工况进行了数值模拟,雾化模型采用了一种新型K-H(Kelvin-Helmholtz)和R-T(Rayleigh-Taylor)混合模型,数值模拟与实验结果符合较好.