冠齿脉冲射流冲击平直靶板对流换热实验_吕元伟.pdf

文章编号：1000-8055（2023）04-0787-08doi：10.13224/ki.jasp.20210538冠齿脉冲射流冲击平直靶板对流换热实验吕元伟1，3，赵韫铎1，张靖周2，单勇2，孙文静2，张镜洋1，罗欣洋3（1.南京航空航天大学航天学院，南京210016；2.南京航空航天大学能源与动力学院江苏省航空动力系统重点实验室，南京210016；3.中国航空工业集团有限公司金城南京机电液压工程研究中心，南京210006）摘要：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（500020000）、无量纲冲击间距（28）和工作频率（1025Hz）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 10000 和 15Hz 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。关键词：射流冲击；冠齿喷管；脉冲射流；平直靶板；对流换热中图分类号：V235文献标志码：AExperimentonconvectiveheattransferofpulsedchevronjetimpingementonflatplateLYuanwei1，3，ZHAOYunduo1，ZHANGJingzhou2，SHANYong2，SUNWenjing2，ZHANGJingyang1，LUOXinyang3（1.CollegeofAstronautics，NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics，Nanjing210016，China；2.JiangsuProvinceKeyLaboratoryofAerospacePowerSystem，CollegeofEnergyandPowerEngineering，NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics，Nanjing210016，China；3.JinchengNanjingEngineeringInstituteofAircraftSystems，AviationIndustryCorporationofChina，Limited，Nanjing210006，China）Abstract:An experimental investigation was performed to study the convective heat transfercharacteristicsofpulsedchevronjetimpingementonaflatplate，byusinginfraredimagingtechnique.Thepulsedjetwasfixedataspecificdutycycle（DC）of0.5，theexperimentswereconductedunderReynoldsnumberof500020000，Dimensionlessimpingementspacingof28andworkingfrequencyof1025 Hz.Results indicated that the local Nusselt number distribution in the vicinity of jet stagnationpresentedalobedpatternresemblingtheshapeoftheconfiguration.Thepulsedchevronjetwasconfirmedto be capable of enhancing the jet impingement heat transfer related to the pulsed round jet.UnderReynoldsnumberof10000andworkingfrequencyof15Hz，theconvectiveheattransferinthevicinityof收稿日期：2021-09-25基金项目：江苏省自然科学基金（BK20210303）；国家自然科学基金（52206091）作者简介：吕元伟（1990），男，讲师，博士，主要从事航天器传热传质研究。E-mail：引用格式：吕元伟,赵韫铎,张靖周,等.冠齿脉冲射流冲击平直靶板对流换热实验J.航空动力学报,2023,38（4）：787-794.LYuanwei,ZHAOYunduo,ZHANGJingzhou,etal.ExperimentonconvectiveheattransferofpulsedchevronjetimpingementonflatplateJ.JournalofAerospacePower,2023,38（4）：787-794.第38卷第4期航空动力学报Vol.38No.42023年4月JournalofAerospacePowerApr.2023jetstagnationcouldbeincreasedby20%30%withtheuseofpulsedchevronjet，whencomparedwiththepulsedroundjet.Ingeneral，theheattransfercharacteristicsinthepulsedchevronjetimpingementwerefoundsomewhatdistinctfromthatinthesteadychevronjetimpingementaswellasthepulsedroundjetimpingement，duetotheinherentinteractionofactiveexcitationbythepulsationandpassiveexcitationinducedbychevronnozzle.Keywords:jetimpingement；chevronnozzle；pulsedjet；flatplate；convectiveheattransfer射流冲击是一种有效的传热传质强化方式，广泛应用于高强度冷却、加热和干燥等工程实际场合，在航空动力装置中，它也是进口部件高效热气防冰、热端部件强化冷却和涡轮机匣主动间隙控制的重要技术手段1-3。为适应不断增长的传热强化需求，发展高效的射流冲击强化策略是国内外研究人员长期关注的热点课题4。喷管形状是影响射流剪切层流动结构和靶面对流换热的一个重要因素。在早期的研究中射流孔形状的改变相对简单5-7，近年来，基于旋流或流向涡诱导的射流流动激励喷管正得到越来越广泛的重视8-11。其中，在喷管出口采用周向锯齿修型而改进的冠齿喷管能够在射流的发展中诱导出阵列流向涡对，Violato 等12-13的研究表明冠齿射流发展中存在显著的条带状涡环干结构，破坏了圆形喷管射流固有的环状剪切涡结构，增强了湍流涡团的脉动和趋近靶面射流的湍流强度；Vinze等14实验研究了冠齿射流冲击光滑平直靶面的对流换热，分析了锯齿数、安装角和伸入深度等结构参数对射流冲击对流换热的影响，与圆射流相比，冠齿射流冲击的靶板局部努塞尔数增加 26%38%；Guan 等15-16将冠齿喷管应用于发动机进气整流锥的热气防冰结构，通过数值计算和模型实验研究，分析了冠齿喷管相对于常规喷管热射流冲击锥形凹壁所带来的壁面加热效果提高幅度。利用射流脉冲激励在特定的条件下也可以作为强化传热的一种主动措施，与连续稳定射流相比，非连续射流固有的脉动特征周期性地扰动射流发展及其边界层结构，进而影响射流冲击换热。譬如，Zumbrunnen 和 Aziz17采用旋转叶片间断阻隔生成脉冲射流方式，实验研究了脉冲自由射流冲击换热，发现在一定的激励频率下脉冲射流可以获得优于连续射流的换热效果；Hofmann等18采用高速电磁阀生成脉冲射流方式，实验研究了脉冲激励参数（频率和幅度）对射流冲击换热的影响，研究表明脉冲射流在小冲击间距-高脉冲频率下具有传热增强的效果；周静伟等19利用质量流量控制装置生成波形和频率可调的脉冲射流，实验研究表明脉冲波形对射流冲击换热影响显著，阶跃变化的矩形方波射流冲击换热明显优于正弦和三角形脉冲波形；Persoons 等20通过系统的实验研究，指出相对于连续射流，脉冲对于冲击射流对流换热的影响不仅依变于反映脉冲射流特征的斯托罗哈数 Sr=fd/um（f 为脉冲频率，d 为喷管直径，um为射流周期平均速度），而且与射流冲击间距 H 密切相关，由于提出利用修正的斯托罗哈数Sr（H/d）作为脉冲射流和连续射流冲击换热能力之间的关联判据，这一关联在 L等21的研究中也得到了有效验证。为改善脉冲射流冲击换热，唐婵等22提出了一种附加集气腔结构，利用集气腔喷口的射流紧缩效应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。尽管上述研究分别在脉冲主动激励和冠齿被动诱导激励做了大量工作，但冠齿脉冲射流冲击平直靶板时两者之间相干机制十分复杂，相关研究仍较为缺乏。鉴于此，本文在前期针对平直靶面所开展的冠齿连续射流和圆形脉冲射流冲击换热研究基础上21,23，在典型的射流雷诺数和冲击间距下开展单股冠齿脉冲射流的冲击对流换热实验研究，以期揭示两者之间相干机制及其对靶板表面对流换热的影响。1实验过程简介1.1实验装置本文采用的脉冲射流冲击实验装置与文献 23一致，如图 1 所示。脉冲射流由电磁阀激励形成，通过信号发生器对电磁阀两端的电压占空比进行控制，在本文实验中，脉冲射流占空比（DC）恒定为 0.5、脉冲频率 f 为 1025Hz；电磁阀出口连接的射流管直径 d 为 10mm、长度 l 为 120mm。射流冲击靶面为固定在铜棒上的加热膜片（厚度为788航空动力学报第38卷0.05mm），采用直流稳压电源对膜片进行加热，输入的电加热功率由施加于铜棒两端的电压和电流确定。射流冲击靶面温度采用工作波段为814m 的红外热像仪测试，预先将测试表面均匀地喷涂高发射率（约为 0.96）黑漆。齿喷管采用 6-冠齿周向均布的结构布局，如图 1（a）所示，冠齿设计为平行于喷管轴线的平直弧状 V 齿，冠齿根部对应的弧长 W 为 d/6、顶长 a 为 6mm。对加热膜施加承载力 F 使其保持平整，电源在加热膜两端施加的电压和电流分别为 U 和 I。冠齿在靶面上的投影关系见图 1（b）和图 1（c）所示，冠齿齿尖的投影点坐落于 X 轴上，冠齿齿谷的投影点坐落于 Y 轴上。其中 R 为耙板表面任意一点至滞止中心的距离。依据已有的研究，射流冲击间距 H 定义为冠齿根部至冲击靶面的距离。1.2数据处理脉冲射流雷诺数以周期平均速度定义，即Re=umdv（1）式中 为射流的运动黏度。就非稳定射流冲击换热的真实物理过程而言，靶面对流换热呈现出周期性的变化规律，鉴于非连续射流的特点，采用同步器控制红外热像仪的采样时间与脉冲控制信号的同步性，当对流换热过程经历一定的周期达到“准”稳定状态后，触动红外热像仪采样，在 1min 的采样时间内捕获 1800帧的热像，再从这些图像中进行平均化处理，进而获得时均温度分布。以图 2 所示为例（横纵坐标表示 X 和 Y 方向无量纲坐标），在典型相位下的冲击靶面瞬时努塞尔数分布存在显著的差异，在 t=0.1T 和 t=0.9T 时刻（T 为周期），靶板的瞬时对流换热低，这是因为上述时刻处于脉冲射流开启起始和闭合终了阶段；而在 t=0.5T 相位附近的瞬时对流换热最高，在脉冲射流关闭后的前期，对流换热依赖于前序射流冲击的作用依然维系一定的强度；通过进行平均化处理，获得如图 2（f）所示的时均表面传热系数分布。TfrontwTrearwqrearlossqfro