徐亮,熊堰宏,席雷,高建民,李云龍

(1.西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安;2.廣東西安交通大學(xué)研究院,528000,廣東佛山)

沖擊射流作為一種最有效的單相介質(zhì)對流傳熱強(qiáng)化技術(shù),被廣泛應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片冷卻,電子元器件冷卻,紡織品、紙張干燥,冶金工業(yè)等。在實(shí)際應(yīng)用的某些場合,由于空間受限,射流孔不得不采用傾斜布置,如渦輪葉片前緣沖擊冷卻孔的布置形式。近年來,諸多學(xué)者發(fā)現(xiàn)在提升靶面?zhèn)鳠嵝阅芊矫?旋轉(zhuǎn)沖擊射流比傳統(tǒng)的圓孔射流要好得多[1-4]。雖然在渦輪葉片中使用旋轉(zhuǎn)沖擊射流進(jìn)行冷卻會使葉片結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜而難以加工,但隨著金屬增材制造技術(shù)的發(fā)展,為設(shè)計和制造復(fù)雜冷卻結(jié)構(gòu)的渦輪葉片提供了可能[5-6]。根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn),傾斜態(tài)沖擊射流傳熱研究采用的射流噴嘴基本以圓孔和狹縫為主[7-17],而對旋流噴嘴下的沖擊射流傳熱特性鮮有研究,因此有必要研究傾斜態(tài)旋轉(zhuǎn)沖擊射流的傳熱特性,為設(shè)計高效新型的沖擊冷卻方法提供重要參考。

在實(shí)驗(yàn)研究方面,Yoon等研究了傾斜狹縫沖擊射流對加熱板傳熱特性的影響,指出隨著傾斜角減小,滯止點(diǎn)向板面上方移動,板面上方局部的努塞爾數(shù)Nu大于板面下方的Nu[7]。Yan等研究了傾斜圓孔沖擊射流,發(fā)現(xiàn)沖擊角和沖擊距離越小,最大傳熱點(diǎn)向上游方向轉(zhuǎn)移越明顯[8]。Donovan等的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),傾斜態(tài)圓孔射流的Nu峰值點(diǎn)與滯止點(diǎn)重合,滯止點(diǎn)位移與射流沖擊角的大小成反比,而與射流沖擊距離無關(guān)[9]。Sparrow等認(rèn)為圓孔射流隨著傾斜角的增大,沖擊靶面Nu峰值點(diǎn)遠(yuǎn)離射流沖擊中心,最大傳熱點(diǎn)上游局部傳熱系數(shù)下降較下游要快,且最大傳熱系數(shù)下降約15%～20%[10]。Goldstein等對傾斜圓孔射流時板面的局部溫度和熱流密度進(jìn)行了測量,得出在沖擊距離和沖擊角一定的情況下,垂直射流近峰區(qū)域(0

在數(shù)值模擬方面,Bhagwat等采用V2F模型研究了傾斜態(tài)圓孔沖擊射流,在板面傾斜的情況下,其上端Nu也急劇減小,而在板的下部,Nu減小較為緩慢[15]。Chuang等采用k-ε模型分析傾斜沖擊射流,結(jié)果表明,當(dāng)傾斜角減小時,左側(cè)再循環(huán)區(qū)域減小,右側(cè)再循環(huán)區(qū)域增大,靶面上的最大壓力區(qū)域位置向左移動并且數(shù)值減小[16]。陳慶光等的數(shù)值模擬結(jié)果表明,傾斜角減小時,左側(cè)回流區(qū)變小,而右側(cè)回流區(qū)變大,最大壓力區(qū)和最大湍動能區(qū)向流場的左側(cè)移動[17]。

綜上可知,傾斜入射的沖擊射流能導(dǎo)致靶面Nu峰值點(diǎn)向靶面上游方向轉(zhuǎn)移,且最大Nu隨著傾斜角的減小而增大,但會導(dǎo)致靶面的傳熱性能明顯惡化。在文獻(xiàn)[3]中,本課題組對類螺紋孔旋轉(zhuǎn)垂直射流進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)螺旋角為45°的類螺紋孔旋轉(zhuǎn)沖擊射流使得靶面有較好的對流換熱效果,本研究對該螺紋孔在傾斜態(tài)時射流沖擊靶面的流動和傳熱特性做了進(jìn)一步的探索。首先基于文獻(xiàn)[3]中垂直旋轉(zhuǎn)沖擊射流和文獻(xiàn)[9]中傾斜圓孔沖擊射流的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),選擇適合計算傾斜態(tài)旋轉(zhuǎn)沖擊射流流動及傳熱特性的湍流模型,論證了本文發(fā)展的傾斜態(tài)旋轉(zhuǎn)沖擊射流的數(shù)值計算方法的可靠性。然后,通過改變傾斜角α、沖擊距離H/d、入口雷諾數(shù)等影響因素,并結(jié)合圓孔沖擊射流,較為詳細(xì)地對比分析了傾斜態(tài)45°類螺紋孔射流和旋轉(zhuǎn)射流沖擊靶面的流動和換熱特性。

1 模型及數(shù)值計算方法

本文選取文獻(xiàn)[3]中的螺旋角為45°的類螺紋孔來形成旋轉(zhuǎn)射流,其基本尺寸與文獻(xiàn)[3]中保持一致,類螺紋結(jié)構(gòu)和傾斜旋轉(zhuǎn)射流計算模型如圖1所示。在傾斜態(tài),由于旋轉(zhuǎn)沖擊射流靶面溫度分布不均勻,為了數(shù)據(jù)的一致性,本文選取靶面上直線r(直線r與x軸正向夾角(方位角)為β)和平面z0(xoy平面)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,其位置如圖1b所示。靶面上0°≤β≤90°的范圍為靶面下游方向,90°<β≤180°的范圍為靶面上游方向。

(a)類螺紋孔結(jié)構(gòu)

(b)計算模型圖1 類螺紋孔結(jié)構(gòu)及傾斜旋轉(zhuǎn)射流計算模型

(a)多塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格

(b)網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)(α=45°,H/d=4)圖2 結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格及網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)

在計算模型中,入口管道長為10d,以確保氣流在管道內(nèi)已充分發(fā)展,三維模型長×寬×高為300 mm×300 mm×110 mm。計算網(wǎng)格為多塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,采用ICEM CFD軟件繪制,近壁面第一層網(wǎng)格尺寸為0.001 mm,網(wǎng)格增大因子為1.2,網(wǎng)格模型如圖2a所示。為了消除網(wǎng)格對計算結(jié)果的影響,進(jìn)行了網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn),以靶面Nu變化在2%以內(nèi)視為計算網(wǎng)格具有網(wǎng)格無關(guān)性,如圖2b所示。計算求解采用商業(yè)軟件Fluent18.0,湍流模型選用SSTk-ω模型,求解方法為壓力基Simple算法,選取二階迎風(fēng)格式。模型邊界條件如下:射流入口為質(zhì)量流量入口,入口氣流溫度為300 K,湍流度為5%;不銹鋼靶面厚度為1 mm,靶面熱流密度q=1 kW/m2。

本文的數(shù)據(jù)處理方法如下。

局部傳熱系數(shù)為

c=q/(Tw-Tin)

(1)

雷諾數(shù)為

(2)

努塞爾數(shù)為

Nu=cd/k

(3)

平均努塞爾數(shù)為

(4)

(a)α=90°(q=1 kW/m2) (b)α=90°(q=15 kW/m2)

(c)α=75°(q=15 kW/m2) (d)α=60°(q=15 kW/m2)圖3 不同湍流模型的靶面Nu(β=0°)

為驗(yàn)證本文計算模型的可靠性,選取文獻(xiàn)[3]中旋轉(zhuǎn)射流實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)[9]中不同傾斜角(60°、75°、90°)的圓孔射流實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證,圖3給出了不同湍流模型計算出的靶面Nu。從圖3a中可以看出,由于垂直旋流時滯止區(qū)域(r/d≤3)是層流和過渡發(fā)展區(qū)域,故采用湍流模型的計算結(jié)果都明顯偏高,誤差較大(可達(dá)30%以上)。對于圓孔沖擊射流,湍流模型計算結(jié)果都很難捕捉到靶面上第二峰值的波動,這與文獻(xiàn)[15]數(shù)值計算結(jié)果一致。就與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的吻合度來說,使用SSTk-ω模型的計算結(jié)果與上述文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)最為接近,所以本文采用該模型來計算傾斜條件下的旋轉(zhuǎn)沖擊射流。

2 數(shù)值計算結(jié)果及分析

為研究傾斜角為45°的類螺紋孔沖擊射流的流動特性和傳熱特性,本文主要從射流傾斜角、沖擊距離、雷諾數(shù)這些因素來探討它們對射流空間流場以及靶面?zhèn)鳠崽匦缘挠绊?并結(jié)合傳統(tǒng)圓孔進(jìn)行對比分析,具體選擇的工況參數(shù)如表1所示。

表1 本文研究的工況參數(shù)

2.1 流場特性

圖4為Re=6 000、H/d=2時不同傾斜角下圓孔射流和旋轉(zhuǎn)射流在z0平面內(nèi)的流線及速度分布圖。當(dāng)垂直射流(α=90°)時,無論是圓孔射流還是旋轉(zhuǎn)射流,流場和速度場均呈對稱分布。在圖4a中可以明顯看到光滑圓孔高速沖擊射流對周圍空氣的卷吸作用,使得射流與外部卷吸而入的氣流在r/d=±13.5處形成旋渦。在垂直旋轉(zhuǎn)射流空間中,由于旋轉(zhuǎn)射流對外部氣流的卷吸作用更強(qiáng),可以看到旋渦的位置相對于光滑圓孔射流更加靠近靶面中心,出現(xiàn)在r/d=±12處。同時,由于類螺紋內(nèi)螺紋的阻塞作用,更多的氣流涌現(xiàn)在孔中心線區(qū)域射出,相比光滑圓孔垂直射流中心線射流速度要更大,其勢流發(fā)展作用區(qū)更長。

(a)α=90°

(b)α=75°

(c)α=60°

(d)α=45°圖4 不同傾斜角下圓孔和旋轉(zhuǎn)射流在z0平面內(nèi)的流線及速度分布圖

當(dāng)α=75°時,圓孔射流有較多的氣流向板面下游方向流走,射流對板面上游方向氣流卷吸作用增強(qiáng),使得上游方向壁面射流發(fā)生位置相對于垂直射流有所提前,因而形成的卷吸旋渦在向靶面中心靠近的同時還有所擴(kuò)大。對于旋轉(zhuǎn)射流,靶面上游的旋渦同樣在向靶面中心移動,與圓孔射流所不同的是此時的旋渦有所減小并且出現(xiàn)了兩個牽連旋渦。這是由于向靶面上游方向流動的氣流與靶面上游的卷吸而入的氣流相互沖突,先在r/d=-7處形成一個旋渦,此外旋轉(zhuǎn)射流存在一個切向速度,因而與后面卷吸而入的氣流在r/d=-15處再次形成一個旋渦;對于旋轉(zhuǎn)射流的下游區(qū),由于旋流壁面射流的提前,可以看到出口區(qū)域的夾帶旋渦位置也隨之提前,同時壁面邊界層的厚度也相應(yīng)增大,這將會削弱壁面這一區(qū)域的換熱性能。

當(dāng)傾斜角進(jìn)一步減小到60°時,圓孔射流靶面上游方向的旋渦移動到r/d=-7處,此時的旋渦進(jìn)一步擴(kuò)大,但仍有部分氣流從上游方向逸出;在靶面下游方向,此時的壁面射流發(fā)生位置更加提前,壁面射流速度衰減較快,在遠(yuǎn)離靶面中心的低速區(qū)域邊界層逐漸擴(kuò)大,使得下游方向的旋渦幾乎無法完全形成,如圖4c所示。旋轉(zhuǎn)射流對外界氣流強(qiáng)烈的卷吸作用使得在靶面上游方向幾乎沒有射流逸出,但由于反彈的氣流含有旋轉(zhuǎn)切向速度分量,將在射流滯止區(qū)域附近r/d=-4處形成一個很小的類壁角旋渦;在靶面下游方向,同樣由于滯止區(qū)后部的旋流壁面射流的提前,先與卷吸進(jìn)入的氣流形成一個碰撞旋渦,隨后由于出口氣流速度很大,在其上部又形成了一個夾帶旋渦,因而在圖4c中可以看到下游出口區(qū)域有兩個旋渦。

當(dāng)傾斜角增大到45°時,圓孔形成的射流幾乎全部沿著下游方向流走,靶面上游方向氣流速度極低,旋渦擴(kuò)展到最大,上游方向基本無氣流逸出,因而該區(qū)域的壁面對流換熱效果削弱最強(qiáng)。對于旋轉(zhuǎn)射流:卷吸而入的外部氣流流速大于向上游部分流動的射流流速,再由于導(dǎo)流元件距離靶面很近,氣流發(fā)展空間十分狹小,因而僅在螺旋導(dǎo)流元件的滯止區(qū)內(nèi)產(chǎn)生兩個較小的滯止旋渦;在下游方向,由于壁面射流的位置提前,使得此時的旋渦相對于α=60°時略微向外擴(kuò)展。

總體而言,對于光滑圓孔射流,減小傾斜角會使靶面上游方向的旋渦向靶面中心移動,旋渦會逐漸擴(kuò)大,而下游方向的旋渦無明顯變化。對于旋轉(zhuǎn)射流,隨著傾斜角的減小,靶面上游方向的旋渦在向靶面中心移動的同時逐漸縮小,而下游方向旋渦的數(shù)量、大小及位置隨著傾斜角的改變有相應(yīng)變化。在同一傾斜角下,靶面上游方向旋渦的位置更加靠近靶面中心,而且旋轉(zhuǎn)射流軸向速度夾帶能力很強(qiáng),所形成的旋渦要比圓孔射流所形成的旋渦小,且位置更向出口區(qū)域(r/d=-17)發(fā)展。其次,對比旋轉(zhuǎn)射流和圓孔射流的速度云圖,可以明顯發(fā)現(xiàn),由于導(dǎo)流元件的影響,旋轉(zhuǎn)射流出口處氣流流速明顯比圓孔射流要高,這將使得旋轉(zhuǎn)射流靶面中心滯止區(qū)附近的對流換熱強(qiáng)度高于圓孔射流。

圖5為Re=6 000、α=60°的圓孔和旋轉(zhuǎn)射流在z0平面內(nèi)的流線及速度分布圖。相對于H/d=2(圖4c)的情況,H/d=4時的圓孔射流,靶面上游方向卷吸氣流形成的旋渦縮小,位置出現(xiàn)在r/d=-9處,旋渦遠(yuǎn)離靶面中心,而在靶面下游方向的旋渦同樣遠(yuǎn)離靶面中心。對于旋轉(zhuǎn)射流,由于在上游區(qū)域的空間增大,從旋流噴嘴流出的氣流反彈后能得以充分發(fā)展,這樣在滯止區(qū)附近的上游方向旋渦明顯增強(qiáng),而在下游區(qū)域由于軸向氣流的流出和卷吸進(jìn)入的氣流在出口區(qū)域僅形成了一個旋渦。H/d=6時,圓孔射流上游和下游方向的兩個旋渦都更加遠(yuǎn)離靶面滯止中心,然而旋轉(zhuǎn)射流上游方向旋渦在遠(yuǎn)離靶面滯止中心發(fā)展的同時還出現(xiàn)了第二個卷吸旋渦,對于下游區(qū)域,主要是軸向速度的氣流在大空間內(nèi)較為順暢地流出,夾帶氣流與卷吸而入的氣流碰撞在出口區(qū)域形成旋渦,因此與H/d=4時相比,靶面下游方向的旋渦沒有明顯的變化。

(a)H/d=4

(b)H/d=6圖5 不同沖擊距離下圓孔和旋轉(zhuǎn)射流在z0平面內(nèi)的流線及速度分布圖

由圖4c、圖5速度分布云圖可知,隨著沖擊距離的增大,圓孔射流和旋轉(zhuǎn)射流在下游方向的速度邊界逐漸加厚。與圓孔射流所不同的是,旋轉(zhuǎn)射流對氣流的卷吸作用更明顯,因而其導(dǎo)流元件出口處高速氣流區(qū)域擴(kuò)展分布更加廣泛(沖擊距離越大,現(xiàn)象越明顯)。

(a)Re=12 000

(b)Re=18 000

(c)Re=24 000圖6 不同雷諾數(shù)下圓孔和旋轉(zhuǎn)射流在z0平面內(nèi)的流線及速度分布圖

圖6為α=60°、H/d=2時不同雷諾數(shù)下圓孔和旋轉(zhuǎn)射流在z0平面內(nèi)的流線及速度分布圖。結(jié)合圖4c可以看出,當(dāng)雷諾數(shù)由6 000增大到12 000時,靶面上、下游方向旋渦均會隨之遠(yuǎn)離靶面滯止中心。當(dāng)Re=18 000時,圓孔射流上游方向出現(xiàn)第二旋渦(r/d=-14處),該第二旋渦是由于第一旋渦(r/d=-9處)所形成的卷吸氣流和向外逸出的射流與外部吸入的氣流相互碰撞而產(chǎn)生的。當(dāng)Re=24 000時,靶面上游方向只有一個旋渦,下游方向旋渦與Re=18 000的流動特征相比無明顯變化。對于旋轉(zhuǎn)射流來說,增大雷諾數(shù),靶面上游旋渦無明顯變化,而下游方向出口區(qū)域的旋渦的位置隨著雷諾數(shù)的改變會產(chǎn)生相應(yīng)的變化,但大小變化不明顯。

從圖6中速度云圖來看,無論是對于圓孔射流還是旋轉(zhuǎn)射流,增大雷諾數(shù),靶面噴出的氣流速度也自然會隨之增大。在雷諾數(shù)和傾斜角相同的情況下,圓孔射流上游方向速度較旋轉(zhuǎn)射流要大(Re=24 000時最為明顯),而旋轉(zhuǎn)射流由于導(dǎo)流元件的旋流作用,使得噴嘴出口附近氣流高速區(qū)域較圓孔射流的區(qū)域范圍要大得多。

2.2 靶面的局部傳熱特性

圖7為Re=6 000、H/d=2時不同傾斜角下圓孔射流和旋轉(zhuǎn)射流沖擊靶面的Nu云圖。從圖7中可以看出,減小傾斜角使得圓孔射流和旋轉(zhuǎn)射流靶面Nu分布均勻性逐漸降低,不再呈對稱分布,這勢必會造成靶面上產(chǎn)生更不均勻的溫度分布。在同一傾斜角和Re下,對比分析圓孔射流和旋轉(zhuǎn)射流Nu云圖可以明顯發(fā)現(xiàn),旋轉(zhuǎn)射流的靶面Nu分布更為不均勻,尤其是當(dāng)傾斜角為45°時,旋轉(zhuǎn)射流的靶面Nu均勻性最差。從Nu的大小來看,旋轉(zhuǎn)射流靶面中心附近Nu明顯高于圓孔射流,這是因?yàn)橥簧淞髁髁肯滦D(zhuǎn)射流孔出口的中心區(qū)域具有更大的出口速度。

(a)圓孔射流

(b)45°類螺紋孔旋轉(zhuǎn)射流圖7 不同傾斜角下圓孔和旋轉(zhuǎn)射流靶面的Nu云圖

圖8為H/d=2、Re=6 000時不同傾斜角下的圓孔射流和旋轉(zhuǎn)射流靶面Nu隨徑向位置的變化曲線。從圖中可以看出,當(dāng)垂直沖擊射流(α=90°)時,無論是圓孔射流還是旋轉(zhuǎn)射流,靶面Nu呈對稱分布,且均出現(xiàn)小沖擊距離下的弱雙峰值分布。但是,在射流沖擊核心區(qū)(r/d≤1)圓孔射流和旋轉(zhuǎn)射流的靶面Nu存在很大差異。旋轉(zhuǎn)射流靶面中心Nu及其峰值相對于圓孔射流分別增長了98.5%、114.6%。就Nu峰值的徑向位置而言,因?yàn)槁菪字行牡母咚賲^(qū)域相對較窄,表現(xiàn)出的Nu峰值位置比圓孔要更接近滯止中心點(diǎn)。

(a)α=90°

(b)α=75°

(c)α=60°

(d)α=45°圖8 不同方位角下射流靶面局部Nu隨徑向位置的變化曲線

當(dāng)α=75°時,可以明顯觀察到,無論是哪一種沖擊射流,靶面Nu峰值點(diǎn)均在靶面上游方向。此時,旋轉(zhuǎn)射流靶面中心和最大Nu相對于圓孔射流分別增長了125.9%、126.4%。當(dāng)傾斜角從90°減小到75°時,對于圓孔射流,靶面Nu分布無明顯變化,而對于旋轉(zhuǎn)射流,靶面Nu雖無明顯變化,但最大Nu增大了14.4%。

當(dāng)α=60°時,無論是圓孔射流還是旋轉(zhuǎn)射流,靶面Nu峰值點(diǎn)仍處于上游方向,此時旋轉(zhuǎn)射流靶面中心Nu及其峰值相對于圓孔射流分別增大了139.9%、116.3%。也可以看到,從垂直射流傾斜到60°時,螺紋孔和圓孔射流靶面Nu峰值的徑向位置并沒有因射流傾斜而出現(xiàn)很明顯的變化,同時就Nu的大小,傾斜也并沒有減弱兩種噴嘴下射流滯止區(qū)附近的換熱能力。

當(dāng)α=45°時,旋轉(zhuǎn)射流最大Nu出現(xiàn)在下游方向,而圓孔射流最大Nu仍處于上游方向,此時旋轉(zhuǎn)射流靶面中心和最大Nu相對于圓孔射流分別增大了15.48%、24.25%。在靶面下游方向,旋轉(zhuǎn)射流靶面不同方位角的Nu分布差異比圓孔射流大,而在上游方向,兩種射流不同方位角的Nu分布差異相對較小。相對于α=60°的情況,α=45°時的圓孔射流靶面中心和最大Nu無明顯變化,但旋轉(zhuǎn)射流靶面中心和最大Nu分別下降了53.3%、46.8%。由此可見,當(dāng)傾斜角為45°時,圓孔射流對靶面?zhèn)鳠嵝Ч绊懖簧趺黠@,但旋轉(zhuǎn)射流時靶面?zhèn)鳠崮芰γ黠@惡化。

傾斜射流情況下,在射流核心區(qū)內(nèi),旋轉(zhuǎn)沖擊射流的冷卻效果顯著強(qiáng)于圓孔沖擊射流,即使是在傾斜角為45°的情況下,旋轉(zhuǎn)射流靶面中心和最大Nu仍然高于圓孔射流。造成這種現(xiàn)象的主要原因是旋轉(zhuǎn)射流中心氣流在進(jìn)入射流空間具有較高的噴射速度,從而使滯止點(diǎn)附近區(qū)域的對流傳熱能力較強(qiáng)。當(dāng)傾斜角為90°、75°、60°時,與圓孔射流相比,旋轉(zhuǎn)射流對靶面的傳熱強(qiáng)化作用主要集中在r/d≤3的范圍內(nèi),在氣流進(jìn)入壁面射流流動區(qū)域以后,旋轉(zhuǎn)射流與圓孔射流的傳熱效果基本相當(dāng),都比較弱,Nu的值在20左右。

圖9為Re=6 000、α=60°時不同沖擊距離下圓孔射流與旋轉(zhuǎn)射流靶面Nu分布圖。當(dāng)H/d=4時,圓孔射流靶面Nu峰值點(diǎn)在靶面上游方向,而旋轉(zhuǎn)射流靶面Nu峰值點(diǎn)與靶面中心重合,此時旋轉(zhuǎn)射流靶面Nu峰值比圓孔射流的高81.8%。H/d=4時圓孔射流靶面中心Nu與H/d=2(圖8c)時相比增大了11.4%,而最大Nu基本保持不變。對于旋轉(zhuǎn)射流,沖擊距離從2增加到4時,靶面中心和最大Nu分別下降了3.75%、14.4%。同時也可以看出,隨著沖擊距離的加大,旋轉(zhuǎn)射流時因切向氣流在射流空間擴(kuò)散范圍更大,靶面高Nu從滯止點(diǎn)沿徑向衰減要比小沖擊距離下更為緩慢。

(a)H/d=4

(b)H/d=6圖9 不同沖擊距離下靶面Nu分布

當(dāng)H/d=6時,圓孔射流和旋轉(zhuǎn)射流Nu峰值點(diǎn)與靶面中心重合,此時旋轉(zhuǎn)射流最大Nu比圓孔射流的高27.3%。H/d=6時圓孔射流靶面中心Nu與H/d=4時相比增大了15.2%,最大Nu依然保持不變。對于旋轉(zhuǎn)射流,H/d=6時靶面中心Nu相對于H/d=4時下降了29.2%。沖擊距離從2增加到6時,旋轉(zhuǎn)射流靶面中心Nu比圓孔射流靶面中心Nu分別高139.9%、107.2%、27.3%。

圖10a給出了沖擊距離H/d=2、α=60°時不同雷諾數(shù)下圓孔射流與旋轉(zhuǎn)射流在靶面沿x軸方向上Nu的分布情況。從圖中可以看出,增大雷諾數(shù),無論是圓孔射流還是旋轉(zhuǎn)射流,均能明顯增加靶面的Nu,但在較低雷諾數(shù)(Re=6 000)時,靶面Nu分布較為均勻。當(dāng)雷諾數(shù)從6 000增加到24 000時,旋轉(zhuǎn)射流靶面中心Nu相對于圓孔射流靶面中心Nu分別增加了118.9%、138.2%、150.5%、161.5%。圖10b為H/d=2、α=60°時旋轉(zhuǎn)射流和圓孔射流靶面Nu峰值分布。隨著雷諾數(shù)的增加,旋轉(zhuǎn)射流靶面Nu峰值與圓孔射流的差值逐漸擴(kuò)大并趨于一定值,這說明增大雷諾數(shù)使得旋轉(zhuǎn)沖擊射流靶面換熱效果提升在Re≤18 000時非常有效,但繼續(xù)增大Re換熱效果提升有限。

(a)靶面Nu分布 (b)Nu峰值分布圖10 不同雷諾數(shù)下靶面Nu及其峰值分布

2.3 靶面平均努塞爾數(shù)

圖11為Re=6 000、H/d=2時圓孔射流和旋轉(zhuǎn)射流在不同傾斜角下靶面Nuave分布圖。對于圓孔射流,傾斜角為45°時在靶面不同徑向距離的Nuave比其他傾斜角下的Nuave降低4.9%～23.56%,而傾斜角為60°、75°、90°時,靶面的Nuave分布極為接近,這說明對于圓孔射流,改變射流傾斜角對靶面?zhèn)鳠嵴w性方面影響不大。在圖11旋轉(zhuǎn)射流靶面Nuave圖中,當(dāng)傾斜角為60°、75°、90°時,靶面Nuave變化不大,但當(dāng)傾斜角為45°時,靶面不同徑向距離的Nuave遠(yuǎn)低于其他射流沖擊角下的Nuave,下降幅度在33%～52.8%之間。與圓孔射流靶面Nuave相比,當(dāng)α=90°時,旋轉(zhuǎn)射流的靶面Nuave比圓孔射流的高38.5%～95.6%,α=75°時高38.7%～109%,α=60°時高34%～106%,即使在α=45°時,旋轉(zhuǎn)射流靶面Nuave仍然高3.9%～10.6%。綜上可知,從靶面Nuave分布來看,圓孔射流靶面Nuave分布雖然比旋轉(zhuǎn)射流更為均勻,但旋轉(zhuǎn)射流靶面Nuave要顯著高于圓孔射流,并且當(dāng)傾斜角減小為45°時,兩種噴嘴射流下靶面?zhèn)鳠嵝Ч紩霈F(xiàn)較大程度的惡化。

(a)圓孔射流 (b)旋轉(zhuǎn)射流圖11 不同傾斜角下靶面Nuave分布

圖12為Re=6 000、α=60°時不同沖擊距離下圓孔射流和旋轉(zhuǎn)射流的靶面Nuave分布圖。對于圓孔射流靶面的Nuave而言,增大沖擊距離,會使射流沖擊核心區(qū)(r/d≤1)的Nuave降低,當(dāng)r/d>1時,沖擊距離的變化對靶面Nuave不構(gòu)成影響。對于旋轉(zhuǎn)射流,隨著沖擊距離的增大,靶面Nuave逐漸降低,H/d=4時Nuave比H/d=2時降低了4.5%～8.2%,H/d=6時的Nuave比H/d=4時降低了2.6%～21%。沖擊距離一定時,旋轉(zhuǎn)射流的靶面Nuave明顯高于圓孔射流。綜合分析旋轉(zhuǎn)射流在Re=6 000、α=60°時不同沖擊距離和不同方位角下的靶面Nuave分布情況,可以認(rèn)為旋轉(zhuǎn)射流在H/d≤4的情況下,靶面?zhèn)鳠嵝Ч^好。

(a)圓孔射流 (b)旋轉(zhuǎn)射流圖12 不同沖擊距離下靶面Nuave分布

圖13為圓孔射流和旋轉(zhuǎn)射流在α=60°、H/d=2時不同雷諾數(shù)下的靶面Nuave分布圖。隨著雷諾數(shù)的增大,靶面Nuave也隨之增大,旋轉(zhuǎn)射流Nuave的增加幅度高于圓孔射流。對于圓孔射流來說,在不同雷諾數(shù)下,靶面Nuave徑向衰減速度變化不大,而對于旋轉(zhuǎn)射流,隨著雷諾數(shù)的增大,靶面Nuave的徑向衰減速度也逐漸增大。在同一雷諾數(shù)下,旋轉(zhuǎn)射流的靶面Nuave要高于圓孔射流,但從靶面?zhèn)鳠峋鶆蛐苑矫婵紤],圓孔射流的靶面Nuave分布更為均勻。

(a)圓孔射流 (b)旋轉(zhuǎn)射流圖13 不同雷諾數(shù)下靶面Nuave分布

3 結(jié) 論

本文研究了射流傾斜角、沖擊距離、射流雷諾數(shù)對旋轉(zhuǎn)沖擊射流的流場以及靶面Nu的影響,并與圓孔射流進(jìn)行了對比,主要結(jié)論如下。

(1)通過與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比,驗(yàn)證了SSTk-ω模型能較好地模擬傾斜情況下的旋轉(zhuǎn)沖擊射流。改變射流沖擊傾斜角、沖擊距離對圓孔射流和旋轉(zhuǎn)射流的流場和速度場會產(chǎn)生較大影響,而改變射流雷諾數(shù)對旋轉(zhuǎn)射流的流場結(jié)構(gòu)改變不甚明顯。

(2)在雷諾數(shù)和沖擊距離一定的條件下,當(dāng)減小射流沖擊傾斜角時,圓孔射流靶面Nu及其峰值以及靶面Nuave變化不甚明顯。對于旋轉(zhuǎn)射流,減小傾斜角會使靶面中心Nu及其峰值先增大后減小;在同一傾斜角下,旋轉(zhuǎn)射流靶面中心Nu及其峰值明顯高于圓孔射流。當(dāng)α=90°,75°,60°時,旋轉(zhuǎn)射流靶面Nuave變化不大,而α減小到45°時,靶面Nuave明顯減小。

(3)在雷諾數(shù)和沖擊角一定的情況下,當(dāng)增大沖擊射流距離時,圓孔射流沖擊核心區(qū)(r/d≤1)靶面Nu會有所升高,而靶面Nuave變化不大。對于旋轉(zhuǎn)射流,靶面射流沖擊核心區(qū)(r/d≤1)的Nu會隨著沖擊距離的增大而減小,但旋轉(zhuǎn)射流沖擊核心區(qū)Nu始終高于圓孔射流。此外,沖擊距離一定時,旋轉(zhuǎn)射流靶面Nuave要明顯高于圓孔射流。

(4)在傾斜條件下,當(dāng)沖擊距離較小時增大雷諾數(shù),兩種噴嘴射流的靶面Nu均增大,旋轉(zhuǎn)射流靶面的傳熱性能提升更加明顯,然而在Re≥18 000時繼續(xù)增大雷諾數(shù),換熱效果提升有限。