冲击射流在曲面上的换热特性研究文献综述

文献综述（或调研报告）：

冲击射流的研究最初集中在射流冲击平面时的换热特性，Zukerman和Lior[1]做了详细研究，根据射流的流动结构，他们将射流分为四个区域:核心射流区（Core jet region）自由射流区（Free jet region）、滞止区（Stagnation Region）和壁面射流区（Wall jet region）。在喷嘴和冲击板之间距离较远时，自由射流区域有三个区域，如图1所示。通过实验，他们研究了射流换热的应用、流动场和温度场、得出了经验关联及其预测值，以及撞击平面的冲击射流装置的数值模拟结果。比较了模型、模型、雷诺应力模型、代数应力模型，剪切应力传递模型和湍流模型的优缺点。

关于冲击射流的流动结构，Hofmann[2]使用了红外测温相机和激光多普勒测速仪（Laser-Doppler-Velocimeter）来进行了验证，研究了单个圆孔射流冲击平面的流动结构和换热特性。在分析了实验数据后，他们得出了经验关联式，可以表示努塞尔数和雷诺数之间的关系，并且用高斯曲线预测滞止点与径向距离的关系。

部分射流冲击曲面的研究主通过实验方法展开，Garimella和Rice[3]在雷诺数为4,000-23,000，喷嘴与热源间距比为1 - 14的情况下，通过实验测量了热源自由冲击、轴对称、液体(FC-77)射流的局部传热。他们得出结论，局部传热系数的二次峰是由于在给定雷诺数下喷嘴直径的增加。McDaniel[4] 通过实验设计了直流电流直接加热的圆柱面，研究了槽型射流在雷诺数600-8000的范围，圆柱半径与喷嘴半径之比d/w=0.6，1.0和2.0的情况下的换热特性。实验结果与在相同圆柱面条件下进行的平行无限射流做对比。结果表明，槽型射流的平均换热效率明显高于无限制平行射流，矩形孔口的平均换热效率高于光滑孔口，无因次参数射流出口和喷嘴半径之比z/w=1-11的影响微小。

通过不同的测量技术，Lim[5]使用预热壁瞬态法研究了圆型射流在空心圆柱面的换热系数。将通过电热器预热的曲面壁瞬间暴露在撞击射流中，在不同的实验条件下，通过壁面温度对空气流动的响应，确定了壁面的局部传热系数。雷诺数恒定在23，000时，改变喷嘴到表面的距离H/D=2，4，6，8，10并且改变射流的倾角0°，15°，30°，45°，实验结果表明在滞止区域的努塞尔数随着射流的倾角增加而减小，随着无因次数喷嘴到表面的距离与孔径之比的增大而减小，并且在H/D=6时达到最大。

Hernandez-Ontiveros[6] 对层流自由表面射流冲击到空心球面和圆柱面上稳态和瞬态的情况，进行了全面的数值分析。结果表明局部和平均努塞尔数和传热系数分布与撞击速度和雷诺数密切相关，随着速度的增加，整个固-液界面的边界层或膜厚减小，努塞尔数增加。热导率较低的材料具有较高的局部最大努塞尔数和较高的平均努塞尔数。同时热导率较高的材料在整个固-液界面上保持了更均匀的温度分布，提升了传热速率，降低了半球内部及其界面的最高温度。此外，由于材料对热流的阻力，增加半球形板的厚度可以降低固-液界面温度，努塞尔数随厚度变化不大。

Esirgemez[7]讨论了自由圆空气射流撞击凸圆柱表面前的射流的性质。实验利用一种新型光纤双速度分量的激光多普勒测速探头，获得了平均速度的两个分量、正应力和剪切应力。为了确定自由射流的冲击表面的效果，将冲击射流在7个轴向位置获得的速度，与在远离射流出口的8个轴向位置获得的速度进行了比较。基于射流直径的流动雷诺数Re = 25000，凸圆柱位于H/D = 4.0处(射流出口速度，射流直径d = 15.24 mm;圆柱直径，D = 60.5 mm)。通过流动可视化表明，初始的轴对称射流变为三维流动，贴合表面绕着圆柱体旋转，并表现出与沿圆柱体轴的壁面射流相似的流动特征。在距离凸面一个直径远处，射流轴向平均速度开始急剧下降。射流轴向、径向、切向正应力和剪切应力不受射流轴附近存在的表面的影响，直到离表面0.05D，在离表面0.75D左右的射流边缘附近受影响比较显著。

Yue-Tzu Yang[8]研究了高湍流度的空气射流冲击圆形平面时的瞬态耦合传热特性，通过数值模拟的方法研究了瞬态情况下二维圆柱面坐标系下湍流流动和传热模型的准确性。采用基于控制体积法的有限差分法求解湍流控制方程方法，并采用著名的低雷诺数湍流模型来描述湍流结构，并且采用简单算法求解压力-速度耦合。研究参数包括湍流雷诺数(Re = 16,100-29,600)，圆盘加热温度(Th = 373 K)或热流密度(q = 63-189 kW/m2)，热源-孔间距(H/D = 4-10)。瞬态冲击过程的数值计算结果表明，特别是在冲击射流的滞止区，射流雷诺数对流体流动和传热具有显著影响。高紊流度导致在滞止区形成较大的传热系数，并且在壁面射流区形成一个层流-湍流过渡旁路。射流周围环境湍流也会影响滞止点附近传热的变化。

Zeyi JIANG和Cuicui LIU[9]通过数值计算的方法研究了在圆柱凸面上槽型射流的仿真，分别模拟了槽型射流从一，二，四个孔口冲击的情况，结果表明:气体沿凸面流动，在单槽射流和多槽射流冲击下均发生边界层分离。当射流到冲击面的距离H与槽口宽度B之比H/B=8时出现最大滞止点努塞尔数，在远离滞止点的区域，局部努塞尔数随着H/B的增大而减小。随着圆柱曲面半径D与槽口半径B之比D/B的增加，滞止区域的努塞尔数减小，但远离滞止区域的努塞尔数几乎相同。压力梯度是影响传热的一个重要因素，模拟结果表明压力的峰值在冲击滞止点，并随着射流发展逐渐减小。通过比较单槽、双槽和四槽射流冲击圆柱凸面的努塞尔数关系，在槽型射流冲击速度较小的情况下，雷诺数和D/B对努塞尔数的影响更显著。

由于冲击射流撞击在曲面上缺乏全面、准确的层流计算结果，Tahsini[10]进行了数值模拟，研究曲率对流动传热的影响。他们采用可压缩流体的有限体积法，在固定的无量纲喷管处与撞击板的距离与孔径之比下，模拟两种不同雷诺数下的射流流动特性。使用了三种不同的形状的平面:凹面、凸面并选择平板作为对照，同时检查曲率。结果表明，努塞尔数随雷诺数的增加而增加。由于葛比较薄的热边界条件，随着曲率的增加，滞止区的努塞尔数也增加。于此相反，对于凹面来说努塞尔数随曲率增加而减少。对于凹面来说，努塞尔数最小的地方，对于凸面来说，努塞尔数最大地方都是滞止区域。