受限凹腔表面射流沖擊強化傳熱研究.pdf

1、射流沖擊傳熱具有較高的傳熱傳質效率，被廣泛應用于強化傳熱等場合。目前，國內外的研究集中在平面靶板和形狀較為規(guī)則的半圓凹腔靶板或半球凹腔靶板上，針對變曲率受限凹腔（如飛機發(fā)動機進口部件防冰系統(tǒng)中的整流支板楔形凹腔和整流帽罩錐形凹腔）表面射流沖擊強化傳熱的研究尚處于探索階段，對變曲率受限凹腔內流動特征與傳熱特征，以及不同射流沖擊結構與受限凹腔相互作用下的流動特征和傳熱特征認識相對缺乏。本文圍繞受限凹腔射流沖擊強化傳熱，進行了以下研究：

2、>　　針對受限楔形凹腔結構特點，提出了射流孔交錯偏置排布和帶有前伸槽的沖擊板射流沖擊結構，并對其影響楔形凹腔流動和傳熱效果的機制進行了研究。研究結果表明，射流孔交錯偏置排布一方面在凹腔內部誘導出復雜的渦流，隨著射流孔偏置間距增大，渦流尺寸隨之增加，渦核逐漸向凹腔前緣附近遷移，且凹腔內部高速區(qū)域和高湍流動能區(qū)域進一步擴大，增大了射流沿弦向的作用面積；另一方面，射流孔偏置排布使得峰值速度對應的壁面法向距離減小。帶有前伸槽的沖擊板不僅可以減小

3、射流沖擊間距，還加劇了腔內流動的受限。
　　對射流孔交錯偏置排布和帶有前伸槽的沖擊板結構的流動傳熱特性進行了數(shù)值模擬和實驗研究，總結歸納出射流孔交錯偏置排布結構參數(shù)和帶有前伸槽的沖擊板結構參數(shù)在不同射流雷諾數(shù)和沖擊間距下對射流沖擊對流傳熱系數(shù)、加熱效率和壓力損失的影響規(guī)律。研究表明，射流孔交錯偏置排布，對應于射流沖擊駐點區(qū)的局部對流傳熱系數(shù)得到增強，隨著射流孔偏置間距比增加，平均對流傳熱系數(shù)最大的對應的現(xiàn)象位置逐漸向凹腔前緣下游遷

4、移，且射流總壓損失與偏置間距的關系不大。在本文所研究結構下，射流交錯偏距比在1.5倍射流孔直徑左右可以在保持凹腔前緣對流傳熱能力不受到顯著削弱的前提下，改善凹腔前緣附近的射流沖擊對流傳熱能力。帶有前伸槽的沖擊板能夠使得凹腔前緣的射流沖擊對流傳熱有較大幅度的改善，在較低射流雷諾數(shù)下起作用效果更為顯著；隨著沖擊板前伸槽長度或寬度的增大，楔形凹腔前緣的對流傳熱系數(shù)呈增大趨勢。前伸槽沖擊板的收縮結構會使得射流總壓損失有較大幅度的增加，增大前伸槽

5、寬度有利于減小射流因通道收縮而引起的壓力損失。
　　開展了冠齒激勵射流和衛(wèi)星排布射流影響受限錐形凹腔流動和傳熱效果的機理研究，揭示了冠齒激勵射流和衛(wèi)星排布射流作用下的流動特征和對流傳熱特性。結果表明，冠齒激勵射流能夠有效的提高凹腔前緣的對流傳熱能力，一方面是因為冠齒根部周圍所產(chǎn)生的流向渦使得射流與周圍流體的摻混得到加強，并提高了沖擊射流局部擾動的作用，使得射流的湍流度和射流作用范圍都得到提高；另一方面冠齒對射流孔口下游區(qū)域的局部堵

6、塞，提高了射流核心區(qū)的流向速度，有利于射流沖擊駐點區(qū)域的局部傳熱強化。衛(wèi)星排布射流能夠提高凹腔前緣的對流傳熱能力，其原因如下：其一，衛(wèi)星孔的存在使得中心射流孔孔徑減小，導致衛(wèi)星排布射流的核心區(qū)流向速度要高于基準射流，增強了中心射流孔的沖擊傳熱能力；其二，當沖擊孔板帶有衛(wèi)星孔時，在沖擊腔前緣、衛(wèi)星孔對應區(qū)域誘導出復雜渦系，強化了衛(wèi)星孔射流與周圍流體的摻混，提高了射流的湍流度和射流作用范圍。
　　通過數(shù)值計算和實驗研究相結合的方法，歸

7、納和總結了冠齒結構參數(shù)、衛(wèi)星排布結構參數(shù)在不同沖擊間距和雷諾數(shù)下對錐形凹腔對流傳熱系數(shù)、加熱效率和射流總壓損失的影響規(guī)律。研究結果表明，在相同的冠齒長度下，隨著冠齒穿透長度的增大，凹腔表面局部對流傳熱逐漸上升；在相同冠齒穿透長度下，凹腔表面局部對流傳熱隨著冠齒長度的增大而下降；隨著冠齒穿透長度的增大或冠齒長度的減小，射流總壓損失不斷增大。在相同的中心孔孔徑下，隨著衛(wèi)星孔間距的增大，凹腔表面對流傳熱系數(shù)第二峰值出現(xiàn)位置逐漸后移，且凹腔表面

8、加熱效率隨著衛(wèi)星孔間距的增大而不斷增大。在相同衛(wèi)星孔間距下，隨著中心射流孔孔徑的減?。葱l(wèi)星孔直徑的增大），凹腔表面前緣駐點處對流傳熱系數(shù)有明顯提高，凹腔表面第二峰值也隨之增大，使得凹腔表面加熱效率隨著中心射流孔孔徑的減小而不斷增大。衛(wèi)星排布射流的射流總壓損失高于常規(guī)圓形射流孔，不同衛(wèi)星孔間距下壓力損失基本相同；隨著中心射流孔孔徑的減小，射流總壓損失略有增大。
　　開展了楔形凹腔和錐形凹腔組合結構加熱效率的數(shù)值研究和試驗驗證，分析

9、了不同結構參數(shù)和進口流量對組合結構加熱效率的影響規(guī)律。研究結果表明，在楔形凹腔下，帶有前伸槽的沖擊孔板射流沖擊強化傳熱效果更加明顯；針對錐形凹腔結構，在較小進口流量下，冠齒激勵射流和衛(wèi)星排布射流都對帽罩凹腔表面?zhèn)鳠嵊刑岣咦饔?；在較大進口流量下，衛(wèi)星排布射流孔的射流沖擊強化傳熱效果更加明顯。
　　針對液態(tài)水滴在楔形凹腔和錐形凹腔外部通道中的流動特性和傳熱特性進行了研究，發(fā)現(xiàn)楔形凹腔外部通道中，在靶板型線曲率變小較為明顯的位置，液態(tài)水