冲击射流及其强化换热的研究进展_耿铁.pdf

1、iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiii i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i iiiiiiiiiiiiiiiijjjj! 概 述冲 击 射 流 是 指 射 流 对 固 体 壁 面 或 液 体 表 面 等 的 冲 击 流 动 ，即 气 体 或 液 体 在 压 差 的 作 用 下 ， 通 过 圆 形 或 窄 缝

2、形 喷 嘴 垂 直 （ 或成 一 定 倾 角 ） 喷 射 到 被 冷 却 或 加 热 表 面 上 ， 由 于 流 体 直 接 冲 击 被冷 却 或 加 热 的 表 面 ， 流 程 短 且 被 冲 击 的 表 面 上 的 流 动 边 界 层 薄 ，从 而 使 直 接 受 到 冲 击 的 区 域 产 生 很 强 的 换 热 效 果 ， 是 一 种 极 其有 效 的 强 化 传 热 方 法 。 因 此 冲 击 射 流 在 许 多 工 程 领 域 中 得 到 了广 泛 的 应 用 ， 如 纺 织 品 、 纸 张 、 木 材 等 的 干 燥 ， 钢 铁 的 冷 却 及 加热 ， 内 燃 机 活 塞 的

3、油 冷 等 。 在 精 密 显 象 管 玻 壳 的 生 产 中 ， 底 模 的风 冷 ， 凸 模 内 部 的 水 冷 以 及 制 品 表 面 的 控 制 冷 却 ， 都 是 采 用 的 冲击 射 流 冷 却 技 术 。 在 尖 端 技 术 中 ， 也 巧 妙 而 有 效 地 应 用 了 射 流冲 击 的 技 术 ， 如 航 空 发 动 机 涡 轮 叶 片 的 冷 却 ， 计 算 机 高 负 荷 微 电子 元 件 的 冷 却 等 。射 流 冲 击 换 热 过 程 涉 及 到 冲 击 介 质 与 被 冲 击 表 面 的 温 度 和粗 糙 度 、 介 质 的 物 性 参 数 、 冲 击 方 式 、

4、喷 嘴 的 几 何 参 数 以 及 喷 嘴的 布 置 方 式 等 许 多 因 素 。 因 此 ， 这 一 过 程 是 十 分 复 杂 的 。但 由 于 它 的 独 特 作 用 ， 近 年 来 受 到 工 程 学 术 界 特 别 重 视 ， 成为 传 热 学 的 热 门 课 题 “!#。 许 多 科 技 人 员 对 它 作 了 大 量 的 研 究 ，且 研 究 手 段 日 益 多 样 ， 研 究 范 围 不 断 扩 展 ， 从 单 一 的 实 验 研 究 发展 到 实 验 研 究 和 理 论 计 算 相 结 合 ， 从 单 个 喷 嘴 的 研 究 发 展 到 多个 喷 嘴 的 研 究 ， 从 二

5、 维 平 面 射 流 的 研 究 转 向 三 维 射 流 的 研 究 。取 得 了 很 多 有 价 值 的 成 果 ， 对 冲 击 射 流 的 认 识 也 不 断 加 深 。但 是 ， 由 于 冲 击 射 流 流 场 结 构 的 复 杂 性 ， 一 些 传 热 机 理 和 现象 仍 未 得 到 合 理 的 解 释 。 这 充 分 表 明 对 冲 击 射 流 的 物 理 本 质 的认 识 目 前 还 不 深 刻 ， 另 外 ， 在 冲 击 射 流 的 数 值 模 拟 方 面 ， 尚 未 找到 合 适 的 湍 流 模 型 能 完 全 有 效 地 模 拟 冲 击 射 流 。 对 冲 击 射 流 的研

6、 究 ， 还 有 许 多 工 作 要 作 。$ 冲 击 射 流 的 特 点单 个 圆 形 喷 嘴 冲 击 射 流 的 流 动 结 构 如 图 ! 所 示 ， 一 般 可 将其 分 为 三 个 区 ， !） 自 由 射 流 区 。 射 流 从 喷 嘴 喷 出 后 ， 由 于 和 周 围介 质 发 生 动 量 交 换 ， 射 流 直 径 不 断 扩 大 ， 垂 直 速 度 逐 渐 降 低 ， 而在 其 中 心 处 仍 保 持 着 一 个 速 度 均 匀 的 核 心 区 ， 射 流 到 达 壁 面 前的 区 域 称 为 自 由 射 流 区 ； $） 贴 壁 射 流 区 。 抵 达 壁 面 后 ， 射

7、 流 沿 壁面 向 四 周 流 开 ， 形 成 贴 壁 射 流 区 ； %） 滞 止 区 。 壁 面 上 正 对 喷 嘴 中心 处 称 为 滞 止 区 ， 这 里 的 局 部 换 热 强 度 特 别 高 ， 壁 面 上 特 别 需 要强 化 冷 却 的 地 点 应 该 位 于 该 区 内 。 其 主 要 几 何 参 数 有 ： 喷 嘴 直 径!（ 或 窄 缝 宽 度 ） ， 喷 嘴 到 壁 面 间 距 离“， 喷 嘴 轴 线 和 入 射 壁 面 的夹 角 等 。对 于 多 束 射 流 ， 由 于 存 在 着 相 邻 流 束 的 壁 面 射 流 的 相 互 影响 ， 其 流 动 结 构 除 具

8、有 单 个 射 流 的 特 征 外 ， 还 存 在 着 一 个 射 流 交互 区 和 非 射 流 交 互 区 。 其 主 要 几 何 参 数 除 ! 和 “ 之 外 ， 还 包 括喷 嘴 间 距 #。 如 图 $ 所 示 。图 ! 单 束 射 流 示 意 图机 械 设 计 与 制 造 第 $李 德 群!周 华 民!邵 玉 杰$汪 伟 军$（!华 中 科 技 大 学 塑 性 成 形 模 拟 及 模 具 技 术 国 家 重 点 实 验 室 ， 武 汉 )%:?= .0!; $， AB 30 C7/!， DEFG E7+ H./!， IEJF K7 L.0$; MJ?= M0. L7/N!I9+90

9、 O02 A+PQ R8 *RST 6 3.0 0,-/RSR52; E7+U-R/5 G/.V014.92 R8 I,.0/,0 +/T 0,-/RSR52; M7-+/ )%:6? 于 ,4 年 代 晚 期 开 展 的 ($4)， 国 内 的 郑 际睿 ， 王 宝 官 等 人 ($) 在 这 方 面 也 做 了 很 多 工 作 。 文 献 ($) 用 集总 热 容 法 对 单 排 圆 孔 空 气 射 流 对 半 圆 柱 形 凹 面 的 冲 击 传 热 进 行了 实 验 研 究 ， 确 定 了 平 均 换 热 系 数 ， 给 出 了 实 验 关 联 式 ； 文 献 用同 样 的 方 法 ，

10、对 多 排 圆 孔 空 气 射 流 对 半 圆 柱 形 凹 面 的 冲 击 传 热进 行 了 实 验 研 究 ， 分 析 了 射 流 流 态 ， 冲 击 管 的 几 何 参 数 、 冲 击 管与 凹 面 的 间 距 等 对 平 均 换 热 系 数 的 影 响 ， 并 将 实 验 结 果 整 理 成无 因 次 准 则 关 系 式 。 邱 绪 光 ， 康 滢 等 人 也 以 涡 轮 叶 片 内 的 冲 击换 热 为 背 景 ， 对 短 距 离 （ % # 种 湍 流 模 型 都 未 能 完 全 准 确 地 预 测 冲 击 射 流 场 的 流 动 特性 与 传 热 特 性 ， 其 中 标 准 模 型

11、 和 低 雷 诺 数 模 型 的 结 果 很 差 ， 而!9: 模 型 的 结 果 与 其 它 两 种 模 型 相 比 更 接 近 实 验 值 。 文 章 同 时认 为 ， 采 用 壁 面 函 数 法 数 值 模 拟 的 好 坏 很 大 程 度 上 取 决 于 是 否采 用 了 合 适 的 湍 流 模 型 。 而 文 献 用 +?9A2B“C %C 对 这 一 问 题 进 行 计 算 后 则认 为 壁 面 函 数 法 完 全 不 适 合 用 于 冲 击 射 流 的 数 值 模 拟 。 文 献 采用 标 准 的 模 型 和 优 选 的 紊 流 模 型 系 数 及 壁 面 函 数 法 对 圆 形

12、浸没 射 流 流 场 进 行 了 模 拟 ， 总 结 了 流 场 中 速 度 的 分 布 规 律 ， 通 过 和实 验 结 果 对 比 ， 指 出 ， 对 模 型 中 的 系 数 加 以 修 正 后 即 可 用 于 射流 计 算 。可 见 ， 采 用 何 种 湍 流 模 型 及 近 壁 区 的 处 理 是 冲 击 射 流 数 值模 拟 的 关 键 ， 如 何 选 择 要 根 据 具 体 的 情 况 而 定 ， 从 现 有 的 文 献 来看 ， 可 以 认 为 ： 标 准 湍 流 模 型 模 拟 冲 击 射 流 有 较 大 的 偏 差 ， 而 采用 在 标 准 ( ) ! 湍 流 模 型 基 础

13、 上 的 改 进 模 型 ， 如 !9:( ) ! 模型 等 相 对 而 言 有 较 好 的 结 果 。 在 近 壁 区 采 用 壁 面 函 数 法 和 低 两方 程 模 型 都 有 较 成 功 的 算 例 。/ 总 结 和 展 望综 上 所 述 ， 可 以 看 到 ， 对 冲 击 射 流 的 研 究 ， 许 多 结 论 都 是 在特 定 的 实 验 条 件 下 得 出 的 ， 有 一 定 的 限 定 条 件 和 使 用 范 围 ， 对 冲击 射 流 内 在 的 规 律 性 的 东 西 还 缺 少 深 刻 的 认 识 ， 对 工 程 应 用 的指 导 作 用 还 有 待 进 一 步 加 强 ；

14、 另 外 ， 在 冲 击 射 流 的 数 值 模 拟 方面 ， 尚 未 找 到 合 适 的 湍 流 模 型 能 完 全 有 效 地 模 拟 冲 击 射 流 。 特别 是 湍 流 模 型 和 近 壁 区 的 处 理 ， 是 冲 击 射 流 数 值 模 拟 的 关 键 。基 于 上 述 分 析 ， 作 者 认 为 目 前 国 内 对 于 冲 击 射 流 的 研 究 要 从 以下 几 个 方 面 着 手 ： “） 通 过 使 用 更 加 先 进 的 测 量 技 术 和 实 验 手 段对 冲 击 射 流 的 流 动 和 传 热 进 行 更 加 准 确 和 细 致 的 测 量 和 观 察 ，在 此 基

15、础 上 希 望 对 冲 击 射 流 的 流 动 和 传 热 机 理 有 更 深 刻 的 认识 。 ） 实 验 研 究 在 考 虑 各 种 影 响 传 热 的 因 素 时 ， 要 更 加 贴 近 实际 的 工 程 应 用 。 #） 对 冲 击 射 流 湍 流 模 型 的 研 究 还 有 很 大 的 探 索空 间 ， 同 时 要 进 一 步 加 强 湍 流 模 型 的 校 核 工 作 。参 考 文 献“ D4EEF4GF BH :34II JC AK8FGEFGE 34GN6W GMKP3 WFLMFNC AG6C OC+P46 4II V34GI5P3H “*aH /1e“1f; /* Z (*

16、Ca 吴 建 国 ， 池 桂 兴 C 喷 流 换 热 的 最 佳 结 构 参 数 C 冶 金 能 源 C “*0H “：/a Z (1C0 王 宝 官 H 诸 孝 荣 H 陈 志 杰 等 H 多 排 均 布 圆 孔 垂 直 冲 击 平 板 的 换 热 实 验 研究 C 燃 气 涡 轮 实 验 与 研 究 H “*%H #; “/ Z C* bU4GE FGEgUQMH QdP3H *“H “/*e“*%*fC“ 郑 际 睿 H 王 宝 官 C 模 氦 透 平 叶 片 冲 击 冷 却 的 实 验 研 究 H 工 程 热 物 理 学报 H “*01H “ef; “%( Z “a(C9QC % “(% 机 械 设 计 与 制 造 OMGC 11%