冲击射流的研究概述_徐惊雷

第6期徐惊雷等:冲击射流的研究概述见的自由射流(ReJte)和壁面射流(WallJte)是有区别的·本文将仅对冲击射流的研究状况做一综述.由于在滞止点附近有很高的局部换热系数(N。数),因此这种流动广泛应用于要求有很大的传热、冷却、干燥速率的工业过程中I`一3〕,例如:印刷电路板制造业、印刷工业、食品制造业、飞机机翼除冰、透平机械中迎流叶片的冷却、玻璃制造业以及电子元件、计算机芯片的冷却等.因此有关这方面的研究报道已经很多[’,5】,其中大部分是侧重于用实验方法测量冲击射流的N。数及确定相应的各种影响因素,主要有:射流的紊流强度,射流对周围的介质的裹入(卷吸)率,射流出口的速度剖面,喷管或喷嘴的几何参数(如前所述),以及其他外部因素等叫,后面将详细介绍它们的影响.从另一方面来看,冲击射流又是一种非常独特的流动问题:绝大多数情况下,这是一种有回流的紊流流动,同时又具有相对简单的几何边界条件,因此是一个理想的校核紊流模型的例子.它与一般的平行于壁面的流动相比有以下几点显著的区别l[]:(l)在对称线(喷管轴线)附近,紊流能量主要由法向应力产生,而平行流动中主要由切向应力产生;(2)壁面法向脉动速度的均方根值大于切向脉动速度的均方根值,而在平行流动中,法向脉动速度远小于其他方向的脉动速度;(3)壁面附近的当地紊流长度的尺度受喷管里紊流长度尺度的影响,而在平行流动中,紊流长度尺度仅由到壁面的距离决定;(4)在滞止点附近,紊流能量的对流输运很重要,但在平行流动中却可以忽略,而认为壁面附近紊流的产生项等于耗散项;(5)在滞止区上部,流动结构受流线强曲率和强旋转流动的影响很大;(6)在距离轴线较远的地方,冲击射流又转变为剪切流动,但不是通常的简单剪切流动,而是一种最大剪切应力发生在壁面区之外,最大紊流剪切应力是相应的简单剪切流动的两倍vl{,且对上游历史保持有较强记忆的复杂的剪切流动.而目前普遍采用的紊流模型,大多是在二十多年前提出的,那时由于受计算机水平和实验条件的限制,模型中的经验系数靠简单剪切流动的实验结果来确定.在有浮力、有曲率、有旋转时,这些模型需要作修正,这些都表明紊流模型还有待于完善和改进,有关文献中对冲击射流的计算也证明了这一点.值得注意的是:即使把理论上更为先进的二阶矩封闭模型应用于冲击射流的计算中,其结果与实验相比仍有较大差别,尚需专门针对冲击射流作特殊的改进图.另一方面,工程技术人员却被冲击射流的高传热、传质率所吸引,给冲击射流的研究引入了越来越广泛的工程应用背景,并在应用过程中又不断地提出了新的问题.因此,冲击射流作为一个考核紊流模型的理想的算例,同时也得到了广泛的应用,是一个应当引起足够重视的研究领域.目前,国内对这一问题的研究主要是由马重芳等人在进行,他们的工作基本上集中在用实验方法研究液体层流冲击射流的换热系数的确定,以及不同因素的影响,取得了较为详细的测量结果.但是除此而外,有关这方面的研究报道很少,特别是流场的数值计算方面比较欠缺,研究的范围也不够全面.2研究的主要趋向2.1冲击射流传热特性的实验研究由于冲击射流有广泛的工程应用背景,要集中在传热特性的实验研究上,如:N。因此很早就有人开展了这方面的研究,早期的工作主数的分布,流动R。、喷管高度(Z/D)、喷嘴几何形状等力学与实践1999年第21卷对传热系数的影响等,有关这方面已有综述性文献【“一6].其中文献s1[讨论了一系列有关的实验结果:喷管出口处的Re二(500~124000);喷管轴线垂直于入射面;喷管高度Z/D二(1.2、16);研究范围X/D二o~6(图1中X指半径方向r).通过把N。表达成R。的关联式发现:N。也应当是Z/D和X的函数·因此文献阎通过分析已有的实验数据得出N。的关联式,这一关联式和已有的实验数据吻合很好.同时也指出:在半径大于6D以外的区域内,当Z/D二1~12时,N。与Z/D无关.此外,文献s[]和e[]都分析了影响冲击射流的N。分布的因素,归纳起来有以下几点:(l)喷嘴的形状和几何尺寸:在较小的Z/D下,不同的喷嘴设计会产生不同形状的径向N二分布,渐缩型喷嘴和齐边型喷管所产生的射流的特性相差较大.此外,喷嘴的不同几何尺寸影响到喷嘴出口处的不同的速度分布型线,从而影响了滞止区内最大N。的值.如:对于外形为正方形的喷嘴(指喷嘴的长度与直径相等)而言,其势流核的长度为通常喷嘴的势流核的一半,从而增大了传热系数;(2)小尺度紊流的影响:如:在R。=600,Z/D二2时喷管出口的紊流度从.05%增加到3.2%会导致滞止点的N。从180增大到215,同时使在小Z/D情况下常见的N。的局部最小值消失;(3)封闭板的影响:封闭板是指与入射平面平行、并且与喷管出口齐平的平板,如:封闭板使得传热速率下降,并且Re越大,下降得越快;(4)z/D