斜射流对壁面传热特性影响的仿真分析

赵波，唐万松，王翼鹏，刘相宜，金汝宁

斜射流对壁面传热特性影响的仿真分析

赵波1,2，唐万松1，王翼鹏1，刘相宜1，金汝宁1

（1.四川大学 机械工程学院，四川 成都 610065；2.四川省丘区山区智能农机装备创新中心，四川 德阳 618000）

冲击射流是一种传热效率极高的方式，采用数值分析方法模拟了单束射流不同倾角条件下的冲击冷却过程，定量讨论了射流流场对壁面传热特性的影响，发现射流流速与滞止区和壁面射流区的传热性能具有强相关性。为此设计了组合式射流冲击冷却模型，仿真验证发现，在多喷嘴协同作用下，组合式射流继承了单束直射流和斜射流的优点，在保证滞止区传热效率较高的同时，有效地提高了射流下游的传热效率，并使壁温分布更加均匀。

射流；冲击冷却；斜射流；组合式射流；数值分析

随着工程技术的飞速发展，越来越多的工程领域对传热提出了更严苛的要求，比如航空航天和钢铁等领域迫切期望提高传热效率以减少能耗[1]。射流冲击冷却的局部传热效果极好，尤其在滞止区能够获得极高的传热效率，较外掠平板强迫对流的换热系数高几倍甚至一个数量级[2]。但是，受制于早期试验设备和计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）的发展，加之试验和计算手段等因素有限，射流冲击冷却技术发展相对缓慢，部分传热机理和现象至今仍未得到令人满意的解释。近年来，随着数值仿真精度的提升和应用范围的增大，深入研究射流传热特性成为可能。重要的是，数值仿真可模拟复杂工况，并直观地呈现出细节信息，有助于深入理解射流冲击冷却过程的流场特征和传热特性。本文主要采用数值方法，拟研究不同参数变化下斜射流对壁面传热性能的影响。

p为流体压力；w和υ分别为流体轴向和径向速度。

相关的数值研究包括：Zu[3]对单束圆形空气射流垂直冲击壁面的传热特性进行了数值模拟，发现SST模型和大涡模拟（Large Eddy Simulation，LES）可以更好地预测冲击射流的流动和传热特性。Afroz[4]采用RNG和SST模型分别数值模拟了双斜缝射流冲击冷却等温面的过程，发现SST模型对局部努塞尔数预测与试验数据吻合得更好。Gardon[5]发现了空气射流的附近传热系数的双峰现象，文献认为可能是由于该处边界层较薄的缘故，与之相类似的还有周定伟[6]、Lee[20]和冷浩[21]。Hosain[8]研究了水流量及喷嘴间距对恒热流壁面传热特性的影响。Baghel[9]利用红外热成像技术研究液体非浸没斜射流冲击壁面的传热特性，发现与直射流相比，斜射流可有效地提高下游的努塞尔数。Ma[10]对任意热流条件下垂直射流的传热特性进行了研究，将速度和温度边界层划分为五个区域，获得了水跃前四个区域的换热系数的表达式。Mishra[11]采用粒子图像测速技术研究了射流冲击间距和倾角对液体浸没射流流动特性的影响。苑达[12]数值模拟了单孔圆形射流冲击壁面的速度场和压力场，确定了滞止区区域。Pan[15]使用红外热成像技术探究了液体非浸没射流中4种不同的喷嘴结构对传热的影响。Gabour[16]试验研究了液体非浸没射流冲击恒热流壁面时，不同射流雷诺数、冲击间距和壁面粗糙度对传热的影响。Lytle[17]利用红外热成像技术研究了空气射流在冲击间距小于一个喷嘴直径时的局部传热特性。Yi[18]采用热像荧光测温法研究了斜射流冲击冷却的瞬态传热特性。叶纯杰[19]数值模拟了斜射流冲击冷却移动平板的传热过程，研究了射流倾角与平板运动速度对平板表面的平均传热效果影响。

但目前为止，鲜有学者能用合适的传热学理论解释壁面射流区的传热性能。基于此，本文拟通过数值模拟的方法，从单束射流出发分析射流流场对壁面传热特性造成的影响，并根据二者关系构建新的组合式多喷嘴射流模型，以综合改进壁面整体传热效率。

1 单束斜射流对壁面传热特性的影响

1.1 模型建立

采用ANSYS Fluent软件，基于有限体积法（Finite Volume Method，FVM）的数值模型如图2所示，冷却水自喷嘴射出，流经空气域，对高温壁面进行冲击冷却。喷嘴出口截面和冲击壁面的尺寸分别为6 mm×6 mm和100 mm× 100 mm的方形薄壁结构，方喷嘴的特征长度为喷嘴出口边长6 mm，喷嘴出口到冲击壁面的距离（冲击间距）为＝18 mm，喷嘴轴心线与壁面法线的夹角为（0°, 30°, 45°, 60°）。以喷嘴轴心线与壁面的交点为原点建立笛卡尔坐标系，、和轴的正方向如图3所示，分别为纵向、横向和垂向，流体沿、和轴正方向的流速分别为、和。整个模型关于面对称，定义轴负方向（＞0）区域为射流上游，轴正方向（＜0）区域为下游。

1.2 边界条件以及参数设置

数值模拟边界条件设置：喷嘴入口边界采用速度入口，其大小由射流雷诺数换算得到，＝5964；空气入口和射流出口连通大气，因此两者边界分别设置为压力入口和压力出口，入口温度T和壁面温度T为T＝T＝293.15 K，表压值为0，操作压力为1个标准大气压；冲击壁面无滑移速度，且保持恒定热流密度q＝6×104W/m2。

图2 单束射流冲击冷却模型

图3 网格划分

数值求解过程采用基于压力的稳态3D数值求解器。重力加速度为9.81 kg/s2。开启能量方程，多相流及湍流模型分别采用VOF和SST k-w模型。对于压力－速度耦合，采用SIMPLE算法进行求解。动量、能量、湍动能和湍流耗散率方程均采用二阶迎风格式离散。

1.3 模型验证

为验证仿真结果的准确性，以＝0°模型为例，数值模拟了不同射流下驻点处努塞尔数0的分布，并与文献[10]中经验公式求得的数值进行对比。由图4可见，驻点处的努塞尔数与文献中的经验公式符合得较好，最大相对误差为2.3%，证明了数值模拟的正确性和可信性。

图4 不同射流Re下驻点处努塞尔数分布

同时对网格无关性做出计算，以获得网格无关解。由于射流冲击冷却的研究重点集中于流体与壁面交界处，因此，对比不同的第一层网格高度时壁面平均努塞尔数avg的变化，从而确定第一层网格的最佳尺寸如图5。结果表明，当第一层网格高度为0.01 mm时，壁面平均努塞尔数分布几乎不再变化。因此，本文接下来的单束射流以及组合式射流冲击冷却模拟中，流体域网格划分的均按第一层网格高度为0.01 mm时的网格。

1.4 结果分析

1.4.1 单束射流壁面温度云图

图6为单束射流在不同倾斜角度下壁面温度分布云图，图中黑色圆点代表喷嘴轴心线与壁面的交点。从整体上看，滞止区温度最低，壁面低温区呈十字状分布。随着喷嘴倾斜角度的增大，上游低温区变窄，并逐渐向下游转移且发生变形，整体表现出沿轴方向收缩，沿轴方向延展的趋势，显然下游的冷却效果得到了增强，上游的冷却效果被削弱。可见斜射流冲击冷却的一个显著特点是射流上下游的传热特性相互影响，当下游冷却效果增强时，上游被削弱。

图5 不同的第一层网格高度下壁面平均努塞尔数对比

图6 单束射流不同倾角下的壁温云图

1.4.2 斜射流流场对壁面传热特性的影响

为定量分析喷嘴倾角对壁面传热特性的影响，取对称面与壁面交线（直线＝0 mm）上的温度和努塞尔数分布进行对比，如图7所示，图中方向的坐标进行了无量纲处理。对于＝0°的垂直射流，努塞尔数的分布是对称的，在驻点两侧/＝±0.5附近出现努塞尔数峰值。随着喷嘴倾角的增大，努塞尔数分布便不再对称且峰值增大，峰值对应的位置向上游移动，同时努塞尔数自峰值急剧衰减，有效冷却范围变窄。几何中心处（坐标原点），喷嘴倾角越小，温度越低，努塞尔数越大，冷却效果越好。沿轴方向，距喷嘴越远，壁面温度越高，努塞尔数越小，冷却效果越差。当0＜/＜6时，随着喷嘴倾角的增大，温度逐渐升高，努塞尔数减小，冷却效果变差；当/＞6时，情况则相反。前文提及，当＝0°时，努塞尔数分布沿轴方向非单调变化，结果和文献[5,20-21]相一致。

图7 直线x＝0 mm处温度及努塞尔数分布对比

壁面传热与射流的流场密切相关，通过对比喷嘴不同倾角下流场特征的变化，进而揭示并发现影响壁面传热的潜在因素。如图8所示为对称面上直线＝0.1 mm处的流场分布，图中的负号仅表示流速与正方向相反。由于所选位置在对称面上，所以流体纵向流速为0，因此，此处仅讨论流体横向和垂向流速对壁面传热特性的影响。图8（a）为射流垂向流速分布对比。除了＝0°时，驻点两侧/＝±0.5附近出现速度峰值外，垂向流速整体上随着水平距离的增加逐渐减小。伴随喷嘴倾角的增大，流速峰值增大且峰值对应的位置向上游移动。当0＜/＜1时，喷嘴倾角越小，流速越大；当/＞1时，流速基本为0，流体沿壁面纯水平方向流动。图8（b）为横向流速分布对比。横向流速整体上随着水平距离的增加先增大后减小。伴随喷嘴倾角的增大，流速峰值减小且峰值对应的位置向上游移动。当 0＜/＜1时，流速迅速增大；当1＜/＜6时，随着喷嘴倾角的增大，流速逐渐减小，当/＞6时，则情况相反。

图8 直线z＝0.1 mm处流速分布对比

图8与图7（b）对比，发现在/＜1区域，努塞尔数的分布特征与垂向流速的分布极为相似。尽管在该区域横向流速迅速增大且多数位置都远大于垂向流速，但是努塞尔数的分布特征仍然与垂向流速保持一致，说明在该区域即使垂向流速相对于横向流速小了1到2个数量级，其对此区域的传热依然起主要影响作用。这种现象有望解释在驻点两侧/＝±0.5附近出现努塞尔数峰值，很可能是由此处垂向流速分量较大造成的。在/＞1区域，努塞尔数的分布特征又与横向流速的分布极其相似，由于该区域垂向流速为0，壁面传热特性仅受横向流速的影响，因此其流动特征和传热特性与外掠平板相似。关于流速对传热的影响在文献[7]中也有所提及，流体的速度大小体现了其速度方向上的热流密度也就是带走了多少热量。另外根据射流速度和壁面传热的分布规律，/＝±1处可作为区分滞止区和壁面射流区的依据，该值与文献[13]的发现是一致的。

2 多束组合式射流对壁面传热特性的影响

2.1 模型建立

组合式射流冲击冷却模型中直喷嘴两侧的斜喷嘴倾角均为＝60°。模型中三个喷嘴的结构、喷嘴出口截面和冲击壁面的尺寸、冲击间距、全局坐标系等与上节模型设置完全一致。新增加的两个斜喷嘴的轴心线与壁面的交点距和轴的距离均为7 mm，如图9所示。

图9 组合式射流冲击冷却模

2.2 结果分析

图10中黑色圆点表示喷嘴轴心线与壁面的交点。图10（a）显示单束直射流冲击冷却能力有限，距离喷嘴越远换热能力越弱，壁面温度越高，整体的壁面温度分布不均。图10（b）组合式射流增加了两个斜喷嘴，使射流下游区域的冷却效果得到提升，同时壁面温度分布较为均匀，但上游区域的冷却效果明显被削弱，这一点与单束斜射流冲击冷却十分相似。

图10 不同射流模型的壁温云图

图11为对称面与壁面交线（直线＝0 mm）上的温度和努塞尔数分布对比。整体上看，除1＜/＜5外，组合式射流多数位置的温度低于单束直射流，努塞尔数较大，尤其在射流下游最为明显。局部来看，当0＜/＜1时，两个模型的温度分布曲线几乎重合，单束直射流的努塞尔数略大于组合式射流；当1＜/＜5时，组合式射流的温度分布曲线高于单束直射流，努塞尔数较小；当/＞5时，组合式射流的温度分布曲线低于单束射流，努塞尔数较大，且两者的差值随着/的增加而增大。显然组合式射流冲击冷却模型继承了单束直射流和斜射流的各自优点，在保证滞止区的冷却效率基本不变的同时，提高了射流下游的冷却效果以及壁面传热的均匀性。

图12为对称面上直线＝0.1 mm处流速分布对比图，由于位于对称面上，所以纵向流速为0，因此，这里同样仅讨论横向和垂向流速对壁面传热特性的影响。由图12可知，当0＜/＜1时，组合式和单束直射流垂向流速沿横向先增大后迅速减小至0，整体分布前者小于后者，两者横向流速基本相等。当1＜/＜3时，组合式射流垂向流速出现波动，先反向增大后减小至0，整体分布大于单束射流；当/＞3时，两者垂向流速基本接近0。当 1＜/＜5时，组合式射流横向流速同样出现波动，先减小后增大，而单束直射流横向流速持续减小，整体分布前者小于后者；当/＞5时，两者横向流速都逐渐减小，且组合式射流横向流速明显大于单束直射流。

图11 直线x＝0 mm处温度及努塞尔数分布对比

图12 直线z＝0.1 mm处速度分布对比

通过综合对比，发现单束直射流的冷却能力和范围十分有限，主要是因为冷却介质自喷嘴射出，与壁面接触后就持续被加热，同时受流体粘性影响，流速不断减小，因此距离喷嘴越远，冷却介质温度越高，对壁面的冷却效果就越弱。另一方面，由于两个斜喷嘴的存在增大了下游的流速，所以组合式射流的下游冷却效果明显提升。组合式射流的壁面传热特征的变化验证了上节的结论，可见无论是减小喷嘴直径，还是增大射流雷诺数，亦或是改变冲击间距等，本质都是通过调节射流流速分布进而影响壁面的传热特性。因此要想提高射流冲击冷却效果，需关注两点：一是增加射流垂向流速，有利于提高滞止区的传热效率；二是增大横向流速，以增强该方向热对流的贡献[14]，有利于提高壁面射流区的传热效率以及壁温分布的均匀性。

3 结论

（1）通过对单束射流模型仿真分析，探究了不同倾角下冷却效果在上下游的变化介绍了直射流与斜射流的优缺点，同时结合射流流场的速度分布，给出了滞止区和壁面射流区传热的主要影响因素。

（2）结合斜射流与直射流的优缺点，根据流场对传热的影响，构建新的组合式射流模型，既保证了滞止区良好的传热效率，同时也保证了壁面射流区的传热效率以及壁温分布的均匀性。

本文的分析结论可推广到各类型的射流应用中，以指导射流装置的工程设计以及冷却流体的应用控制。

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Numerical Study on Effects of Oblique Impinging Jet on the Surface Heat Transfer

ZHAO Bo1,2，TANG Wansong1，WANG Yipeng1，LIU Xiangyi1，JIN Runing1

( 1. School of Mechanical Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China; 2. Sichuan Provincial Collaborative Innovation Center for Intelligent Agricultural Machinery in Hilly Areas, Deyang 618000, China)

An impinging jet is one of the highly efficient ways of heat transfer. The impingement cooling process through a single jet with different angles is simulated numerically, and the influence of the jet flow field on the heat transfer characteristics on the wall is discussed quantitatively. The result of the combined jet impinging cooling model indicates that the characteristics of heat transfer in the stagnation zone and the wall jet zone is closely related to the velocity distribution of the jet. Therefore, the combined jet impingement cooling model is established, and the verification of the numerical models demonstrates that the combined jet inherits the advantages of single-beam direct and oblique jets, which effectively improves the heat transfer efficiency of the downstream jet while ensuring that in the stagnation zone, resulting in a more uniform wall temperature distribution.

jet；impingement cooling；oblique jet；combined jet；numerical analysis

O358

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.01.001

1006-0316 (2022) 01-0001-08

2021-06-07

四川省重大科技专项资助项目(2020YFSY0058)

赵波（1972－），男，吉林长岭人，工学博士，教授，主要研究方向为湿盘式制动器性能分析、无人驾驶矿车设计和车队调度系统、热对流和射流传热理论等，E-mail：aceaugust@126.com。