冠齿喷嘴射流冲击平直靶面对流换热实验

吕元伟，张靖周, 2，，王博滟，谭晓茗

1. 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 2. 先进航空发动机协同创新中心，北京 100083

射流冲击是强化局部换热的一种有效技术途径，广泛应用于动力装置强化冷却、飞行器表面热气防冰、电子器件高效散热等工程领域[1-4]。近年来，为进一步提高射流冲击强化传热的效果，研究人员更加注重射流冲击强化措施的创新研究，发展了一系列被动(譬如异型喷嘴、处理靶面和涡激励等)或主动(诸如基于机械间断、声学或电磁效应等方式形成的脉冲射流和合成射流)的强化传热技术措施[5]。

射流喷嘴形状是影响射流冲击换热的一个重要因素，早期针对非圆形的射流喷嘴以及出口型面的研究表明其改变了射流剪切层结构和卷吸掺混过程[6-8]，Gao等[9]提出了在喷嘴出口安置突片的流体动力激励措施，其强化传热作用在有/无横流的受限通道中也得到了验证[10-11]。源于突片激励概念的冠齿喷嘴已广泛应用于推进系统排气喷管的降噪和流动控制中[12-14]，近期在射流冲击强化传热中也引起了关注。Violato等[15-16]通过详细的流场测试揭示了冠齿喷嘴射流冲击的强化机制，冠齿射流流场存在显著的涡环相干结构，在射流驻点的局部努塞尔数相对于圆形射流提高约25%；Guan等[17-18]结合锥形凹腔前缘的热气防冰结构，对比分析了常规和冠齿喷嘴热射流冲击的综合加热效果；Vinze等[19]的研究表明，与圆管相比，冠齿形喷管下靶板局部努塞尔数增加26%～38%。

影响冠齿喷嘴射流冲击换热的影响因素众多，对此，本文通过实验研究冠齿形喷嘴射流冲击平直靶面的对流换热特性，并初步分析了冠齿结构参数对射流冲击换热的影响。

1 实验描述

1.1 实验系统

如图1所示，冲击射流由小型空气压缩机提供，经过调节阀和流量控制器进入射流管，垂直冲击到平直的加热靶面上。将厚度为0.05 mm的加热膜(铜镍铬合金， -20 ℃～500 ℃范围内其热物性保持不变)固定在圆形铜棒上，铜棒两端施加电压，热膜加热的热流由直流稳压电源提供。为了使得热膜表面平整，在热膜两端施加一定的张紧力，加热表面温度由红外热像仪测量。

射流管直径D=10 mm，长度L=120 mm。冠齿设计为平直V齿，即冠齿轴线与喷嘴轴线平行，如图2所示,H为锯齿管与平板的距离。冠齿喷嘴参数包括：冠齿数n分别为4、6、8三种(冠齿长度为6 mm)，沿周向均匀分布；冠齿长度a分别为3、6和9 mm三种(6-冠齿结构)；冠齿对应的弧长为W。表1为冠齿喷嘴的主要结构参数。

表1 冠齿主要几何参数Table 1 Main geometric parameters of chevron

1.2 实验测试和数据处理

加热表面背侧(相对于射流冲击侧)的热流损失通过预先进行的标定实验加以预测[20]，实验系统位于一个无扰动的恒温封闭室内。如图4(a)所示，即将加热膜放置于厚度δ3=30 mm的绝热石棉板上，用厚度δ1=0.5 mm的铜板压紧在加热膜(厚度δ2=0.05 mm)上。铜膜表面与静止空气进行自然对流换热，热像仪获得铜膜表面的温度分布后，铜膜表面与静止空气之间的自然对流换热系数也将被获得。调节加热膜的输入电流，得到不同加热热流密度下的表面温度，显然上述测试得到的散热损失源于表面的自然对流以及辐射换热。即

(1)

式中：heff,b为计及自然对流和辐射散热的当量对流换热系数；Tb为热膜表面温度;Ta为环境温度。实验中，不同时刻热像仪获得的靶板表面的温度不再随时间变化时，即认为靶板表面的温度场趋于稳定。

图4(b)为实验测得的表面当量对流换热系数随表面和环境温度差的变化，在本文研究的温度差范围内基本呈现线性变化的趋势，拟合得到热膜上表面的当量对流换热系数heff,b为

heff,b=0.11(Tb-Ta)+12

(2)

加热膜射流冲击侧与环境之间的辐射换热热流密度可以近似处理为

(3)

式中：Tw和εw分别为加热膜表面温度和发射率；

σ为Stefan-Boltzmann常数。

由此，射流冲击的局部对流换热系数确定为

(4)

式中：Tj为冲击射流温度，由喷嘴出口处的温度探针测得。

定义射流的雷诺数Re和射流对冲击靶板的局部努塞尔数Nu为

(5)

(6)

式中：U为冠齿喷嘴的平均速度；ν为流体的动力黏度；k为射流的导热系数。其中，射流雷诺数Re的范围为5 000～20 000。

本文引入了两种平均方式，确定射流冲击平均对流换热系数或努塞尔数，即：

1) 周向平均，取射流驻点径向位置处的周向值进行平均，记为NuL-Average。

2) 局部区域平均，沿射流驻点径向位置包络的区域进行平均，记为NuR-Average。

实验中，改变射流冲击间距比H/D和射流雷诺数Re。实验测试数据的重复度为2.5%；测试过程中，质量流量控制器精度为3.3%；射流温度和环境温度由K型热电偶测得，精度为±0.5 ℃；平板表面的温度由红外热像仪获得，精度为±2%。射流冲击的对流换热热流密度误差按5%评估，由误差传递函数可得靶板表面的努塞尔数误差为5.5%，射流雷诺数的误差为7.5%。

2 实验结果与分析

2.1 局部对流换热特征

图5为Re=10 000下，a/D=0.6的6-冠齿喷嘴射流在不同冲击间距下的局部对流换热系数Nuimjet分布，其中，图5(a)中，虚线为冠齿谷部的连线。

小冲击间距下，冠齿射流冲击的局部对流换热系数分布在冲击驻点附近呈现明显的梅花瓣状特征，在H/D=1时，紧邻射流驻点周围的局部努塞尔数在对应于冠齿齿尖的周向位置处高于冠齿齿谷附近的局部对流换热，但是在偏离射流驻点大约2倍直径向外的区域，局部努塞尔数在对应于冠齿齿谷的周向位置处却高于冠齿齿尖附近的局部对流换热。随着射流冲击间距的增大，冠齿射流冲击在驻点附近周向上的局部对流换热差异逐渐减小，当射流冲击间距比达到4以后，冠齿射流在齿尖和齿谷上的对流换热差异已趋于消失，整体呈现出常规圆形射流冲击的特征。

图6为不同雷诺数下，a/D=0.6的6-冠齿射流冲击周向平均努塞尔数沿径向的分布及其与圆形射流冲击的对比。无论是冠齿射流还是圆形射流，驻点区峰值对流换热系数均在H/D=4时最佳，随着射流雷诺数的增加，对流换热系数得到提升。对比而言，冠齿射流冲击对流换热显著高于圆形射流。值得注意的是，H/D=2位置处，基于周向平均努塞尔数NuL-Average沿R/D(R为沿距离靶面滞止中心距离为R的圆的半径)的分布呈现双峰值，这是因为喷嘴距离靶板较近时，2倍R/D位置处，壁面射流区由层流转捩为湍流，射流对靶板的换热增强。

表2和表3分别反映了以R/D=2和R/D=4区域范围内，冠齿射流相对于圆形射流的局部区域平均对流换热增强幅值(基于区域平均的努塞尔数NuR-Average)。冠齿射流区域平均努塞尔数相对于圆形射流的增加幅度与射流雷诺数、射流冲击间距比以及冲击区域大小相关，在本文研究的参数范围内，冠齿射流冲击换热的相对增加幅度在15%至30%之间，具有显著的改善射流冲击换热作用。

表2 冠齿射流相对圆形射流在R/D=2区域的NuR-Average的增长(6-冠齿,a/D=0.6)

表3 冠齿射流相对圆形射流在R/D=4区域的NuR-Average的增长(6-冠齿，a/D=0.6)

2.2 几何参数的影响

以6-冠齿、冠齿长径比a/D=0.6作为冠齿喷嘴基准结构，分别讨论冠齿数和冠齿长径比对射流冲击换热的影响。

图7为H/D=4位置处，6-冠齿喷嘴不同冠齿长径比下区域平均努塞尔数NuR-Average沿径向的分布规律。可以看出，无论在Re=10 000还是Re=20 000工况下，冠齿长度a/D=0.6的冠齿射流NuR-Average均大于a/D=0.3和a/D=0.9的情形。小的冠齿伸出长度难以对喷口射流形成有效的流体动力激励；过大的冠齿伸出长度也不利于冠齿射流冲击换热，这是由于冠齿长度过长时，齿尖和齿谷处的相邻流动相干性减弱，难以形成有效的流向涡融合发展而导致流体动力激励效果降低。相对而言，冠齿长径比a/D=0.9的冠齿射流冲击要弱于a/D=0.3的情形。

图8为H/D=4位置处，冠齿数对区域平均努塞尔数NuR-Average径向分布的影响。同样可以看出，在冠齿伸出长度一定时，冠齿喷嘴的冠齿数也存在一个较优值，使得冠齿射流冲击换热改善效果更显著。在本文研究的参数范围内，6-冠齿的冠齿射流冲击换热最强，4-冠齿的冠齿射流冲击换热最弱。在冠齿伸出长度一定时，改变冠齿数实质上是改变了冠齿的结构。相对于6-冠齿喷嘴结构，4-冠齿的基底宽度有所增长，而8-冠齿的基底宽度则有所减小。

在给定冠齿数n前提下改变冠齿的伸出长度a，或在冠齿伸出长度a一定的前提下改变冠齿数n，均改变了冠齿的形状，表4给出了两组冠齿结构参数变化系列中的冠齿伸出长度与基底弧长比值a/W的数值，可以确定冠齿伸出长度与基底弧长比值接近1时取得的射流冲击强化传热效果较优。这是因为冠齿伸出长度与基底弧长比值太小时，冠齿对射流的干扰较小，冠齿诱导的湍流较小，冠齿对靶板的换热增强较小，当冠齿伸出长度与基底弧长比值太大时，冠齿对射流的流动造成干扰，射流的流动阻力变大，这使得冠齿对靶板的换热增强减少。

表4 冠齿的伸出长度与基底弧长比(a/W)Table 4 Ratio of chevron length to base arc-length (a/W)

3 结 论

本文通过实验研究了冠齿形喷嘴射流冲击平板表面的对流换热，并与圆形喷嘴形成的射流冲击换热进行了比较。得到的主要结论如下：

1) 在小冲击间距下，冠齿射流冲击的局部对流换热系数分布在冲击驻点附近呈现明显的梅花瓣状特征，当射流冲击间距比达到4以后，冠齿射流在齿尖和齿谷上的对流换热差异已趋于消失，整体呈现出常规圆形射流冲击的特征。

2) 冠齿射流冲击对流换热显著高于圆形射流，相对增加幅度与射流雷诺数、射流冲击间距比以及平均区域范围相关。以2倍或4倍射流直径作为区域平均范围，冠齿射流的区域平均努塞尔数相对圆形射流的增加幅度在15%～30%之间。

3) 无论是冠齿射流还是圆形射流，驻点区峰值对流换热系数均在H/D=4时最佳。在本文的冠齿结构参数范围内，冠齿伸出长径比为0.6的6-冠齿结构取得的射流冲击强化传热效果较优。

参 考 文 献

[1] VISKANTA R. Heat transfer to impinging isothermal gas and flame jets[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 1993, 6(2): 111-134.

[2] BUNKER R S. Gas turbine heat transfer: Ten remaining hot gas path challenges[J]. ASME Journal of Turbomachinery, 2007, 129: 193-210.

[3] FREGEAU M, GABR M, PARASCHIVOIU I, et al. Simulation of heat transfer from hot-air jets impinging a three-dimensional concave surface[J]. Journal of Aircraft, 2009, 46: 721-725.

[4] WEIGAND B, SPRING S. Multiple jet impingement—A review[J]. Heat Transfer Research, 2011, 42: 101-142.

[5] CARLOMAGNO G M, IANIRO A. Thermo-fluid-dynamics of submerged jets impinging at short nozzle-to-plate distance: A review[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2014, 58: 15-35.

[6] COLUCCI D W, VISKANTA R. Effect of nozzle geometry on local convective heat transfer to a confined impinging air jet[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 1996, 13: 71-80.

[7] BRIGNONI L A, GARIMELLA S V. Effects of nozzle-inlet chamfering on pressure drop and heat transfer in confined air jet impingement[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2000, 43: 1133-1139.

[8] LEE J H, LEE S J. The effect of nozzle configuration on stagnation region heat transfer enhancement of axisymmetric jet impingement[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2000, 43: 3497-3509.

[9] GAO N, SUN H, EWING D. Heat transfer to impinging round jets with triangular tabs[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2003, 46: 2557-2569.

[10] YU Y Z, ZHANG J Z, XU H S. Convective heat transfer by a row of confined air jets from round holes equipped with triangular tabs[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2014, 72: 222-233.

[11] YU Y Z, ZHANG J Z, SHAN Y. Convective heat transfer of a row of air jets impingement excited by triangular tabs in a confined crossflow channel[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2015, 80: 126-138.

[12] ZAMAN K B M Q, BRIDGES J E, HUFF D L. Evolution from ‘tabs’ to ‘chevron technology’—A review[J]. International Journal of Aeroacoustics, 2011, 10: 685-710.

[13] KONG F S, JIN Y Z, SETOGUCHI T. Numerical analysis of chevron nozzle effects on performance of the supersonic ejector-diffuser system[J]. Journal of Thermal Science, 2013, 22: 459-466.

[14] 单勇, 张靖周, 邵万仁, 等. 冠状喷口抑制涡扇发动机喷流噪声试验和数值研究[J]. 航空学报, 2013, 34(5): 1046-1056.

SHAN Y, ZHANG J Z, SHAO W R. Experimental and numerical research on jet noise suppression with chevron nozzle for turbine engines[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2013, 34(5): 1046-1056 (in Chinese).

[15] VIOLATO D, SCARANO F. Three-dimensional evolution of flow structures in transitional circular and chevron jets[J]. Physics of Fluids, 2011, 23(12): 124104.

[16] VIOLATO D, IANIRO A, CARDONE G, et al. Three-dimensional vortex dynamics and convective heat transfer in circular and chevron impinging jets[J]. International Journal of Heat and Fluid Flow, 2012, 37: 22-36.

[17] GUAN T, ZHANG J, SHAN Y, et al. Conjugate heat transfer on leading edge of a conical wall subjected to external cold flow and internal hot jet impingement from chevron nozzle—Part 1: Experimental analysis[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2017, 106: 329-338.

[18] GUAN T, ZHANG J, SHAN Y. Conjugate heat transfer on leading edge of a conical wall subjected to external cold flow and internal hot jet impingement from chevron nozzle—Part 2: Numerical analysis[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2017, 106: 339-355.

[19] VINZE R, CHANDEL S, LIMAYE M D, et al. Local heat transfer distribution between smooth flat surface and impinging incompressible air jet from a chevron nozzle[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2016, 78: 124-136.

[20] 李鑫郡， 张靖周， 谭晓茗. 单个压电风扇传热特性研究[J]. 航空学报， 2017, 38(7): 205-214.

LI X J, ZHANG J Z, TAN X M. Characteristics of heat transfer with a single piezoelectric fan[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2017, 38(7): 205-214 (in Chinese).