第4期 柳翠翠等：狭缝射流冲击柱状凸形表面流动换热特性 ·445· 的弯曲效应加强了射流与表面间的换热；：Re对射流 入口 冲击弯曲表面换热具有重要的影响，随着Re的增 加，表面换热显著加强；局部周向Nu随量纲一的周 对称 向距离（凸形表面某位置距驻点的周向距离与狭缝 宽度之比，即SB)的增加而减少.然而，由于受 测量手段等因素限制，实验研究关注于基本流动现 象描述和换热实验结果探讨，而对于气体射流沿凸 凸形表) 出口 形表面的流动结构和边界层分离现象及凸形表面强 化换热的原因并未展开深入的分析. 在数值研究方面，狭缝冲击射流大多局限于冲 击大平板情况，而对于狭缝射流冲击柱状凸形表面 对称 的研究则较少.研究者-采用SSTk一w湍流模型 数值模拟了单狭缝和多狭缝射流冲击柱状凸形表面 的流动和换热特性，但其研究狭缝宽度与柱状凸形 图1狭缝射流冲击柱状凸形表面示意图 表面直径尺度相当，更类似于空气横流掠过柱形表 Fig.1 Schematic of slot jet impingement to a cylindrical convex sur- 面，其结论应用于狭缝宽度与柱状凸形表面尺度具 face 有显著差异的狭缝射流冲击柱状凸形表面的正确性 有待商椎. d(uH)= 因此，为确定狭缝射流冲击柱状凸形表面的模 P(,H网+4 (3) 型适用性，探讨柱状凸形表面弯曲效应对狭缝射流 流动换热的影响，本文采用数值方法开展狭缝射流 式中：“，、4为二维直角坐标轴某一方向的平均速 冲击柱状凸形表面的流动换热研究，以确定适用于 度，m·s-:p为压强，Pa;H为焓，J·kgl:T为温 描述狭缝射流冲击柱状凸形表面的湍流模型，并以 度，℃p为流体密度，kg·m3:入为流体热导率， 压力梯度分布为依据，重点分析射流沿柱状凸形表 W·m-1.K-1μ为流体动力黏度，kgm1·s-1;u4 面的流动结构和边界层分离现象及柱状凸形表面的 为二维直角坐标轴某一方向的脉动速度，m·s; 强化换热特性. -pu4,为湍流应力；湍流脉动附加项-pu,H'= -C.puT=CnT,(aT/ax),其中C,为定压比热容， 1模型建立 kJ·kg1·K1;T,为湍流扩散系数，T,=u,/o, 1.1流动换热控制方程及湍流模型 kg'm-1.s-1. 建立二维对称结构狭缝射流冲击柱状凸形表面 分别采用Standard-e、RNGk-e、Realizable 的流动换热模型，冲击介质为空气，被冲击柱状凸形 k一ε和SSTk一w模型对动量方程进行封闭，以确定 表面直径为D,狭缝宽度为B,狭缝距凸形表面的距 湍流模型对狭缝射流冲击柱状凸形表面的预测准确 离为H=4B,射流入口雷诺数Re基于狭缝宽度， 性.其中，Standard k一e为基于湍流脉动动能和耗散 Re=u,B1(u为射流入口速度，m·s-l;v为空气 率的传输模型，其表达形式为 运动黏性系数，m2·s1.),出口与大气相连，如图1 所示. p盘)= 忽略气体的重力和黏性扩散，稳态不可压缩狭 (4) 缝射流质量、动量和能量守恒方程如下： 品I(u+台)]+G-e, ax;] ai二0， (1) ax; p品 ,8(u,4）= u+台)]+c-Gp会 (5) 是+（能+）-呵网 式中：k、为湍流脉动动能和耗散率；4，为湍流黏性 系数，4，=Cpk/e,kgm1·sl;σo分别为湍流 (2) 脉动动能和耗散率的湍流普朗特数；G:为由平均速第 4 期 柳翠翠等: 狭缝射流冲击柱状凸形表面流动换热特性 的弯曲效应加强了射流与表面间的换热; Re 对射流 冲击弯曲表面换热具有重要的影响，随着 Re 的增 加，表面换热显著加强; 局部周向 Nu 随量纲一的周 向距离( 凸形表面某位置距驻点的周向距离与狭缝 宽度之比，即 S /B) 的增加而减少［4--8］． 然而，由于受 测量手段等因素限制，实验研究关注于基本流动现 象描述和换热实验结果探讨，而对于气体射流沿凸 形表面的流动结构和边界层分离现象及凸形表面强 化换热的原因并未展开深入的分析． 在数值研究方面，狭缝冲击射流大多局限于冲 击大平板情况，而对于狭缝射流冲击柱状凸形表面 的研究则较少． 研究者［9--10］采用 SST k--ω 湍流模型 数值模拟了单狭缝和多狭缝射流冲击柱状凸形表面 的流动和换热特性，但其研究狭缝宽度与柱状凸形 表面直径尺度相当，更类似于空气横流掠过柱形表 面，其结论应用于狭缝宽度与柱状凸形表面尺度具 有显著差异的狭缝射流冲击柱状凸形表面的正确性 有待商榷． 因此，为确定狭缝射流冲击柱状凸形表面的模 型适用性，探讨柱状凸形表面弯曲效应对狭缝射流 流动换热的影响，本文采用数值方法开展狭缝射流 冲击柱状凸形表面的流动换热研究，以确定适用于 描述狭缝射流冲击柱状凸形表面的湍流模型，并以 压力梯度分布为依据，重点分析射流沿柱状凸形表 面的流动结构和边界层分离现象及柱状凸形表面的 强化换热特性． 1 模型建立 1. 1 流动换热控制方程及湍流模型 建立二维对称结构狭缝射流冲击柱状凸形表面 的流动换热模型，冲击介质为空气，被冲击柱状凸形 表面直径为 D，狭缝宽度为 B，狭缝距凸形表面的距 离为 H = 4B，射流入口雷诺数 Re 基于狭缝宽度， Re = u0Bν － 1 ( u0 为射流入口速度，m·s － 1 ; ν 为空气 运动黏性系数，m2 ·s － 1 ． ) ，出口与大气相连，如图 1 所示． 忽略气体的重力和黏性扩散，稳态不可压缩狭 缝射流质量、动量和能量守恒方程如下: uj xj = 0， ( 1) ρ  xj ( uiuj ) = － p xi +  x [j μ ( ui xj + uj x ) i － 2 3 μ ui xi － ρ u' iu' j ] ， ( 2) 图 1 狭缝射流冲击柱状凸形表面示意图 Fig． 1 Schematic of slot jet impingement to a cylindrical convex sur￾face ρ  xj ( uj H) =  x (j λ T x )j － ρ  xj ( u' j H') + uj p xj ． ( 3) 式中: ui、uj 为二维直角坐标轴某一方向的平均速 度，m·s － 1 ; p 为 压 强，Pa; H 为 焓，J·kg － 1 ; T 为 温 度，℃ ; ρ 为 流 体 密 度，kg·m － 3 ; "为 流 体 热 导 率， W·m － 1 ·K － 1 ; μ 为流体动力黏度，kg·m － 1 ·s － 1 ; u' i、u' j 为二维直角坐标轴某一方向的脉动速度，m·s － 1 ; － ρ u' iu' j为 湍 流 应 力; 湍流脉动附加项 － ρu' j H' = － Cp ρu' j T' = CpΓt ( T / xj ) ，其中 Cp 为定压比热容， kJ·kg － 1 ·K － 1 ; Γt 为 湍 流 扩 散 系 数，Γt = μt /σT， kg·m － 1 ·s － 1 ． 分别 采 用 Standard k--ε、RNG k--ε、Realizable k--ε和 SST k--ω 模型对动量方程进行封闭，以确定 湍流模型对狭缝射流冲击柱状凸形表面的预测准确 性． 其中，Standard k--ε 为基于湍流脉动动能和耗散 率的传输模型，其表达形式为 ρ  xj ( kuj ) =  x [ ( j μ + μt σ ) k k x ]j + Gk － ρε， ( 4) ρ  xj ( εuj ) =  x [ ( j μ + μt σ ) ε ε x ]j + C1ε ε k Gk － C2ε ρ ε2 k ． ( 5) 式中: k、#为湍流脉动动能和耗散率; μt 为湍流黏性 系数，μt = Cμ ρk 2 /ε，kg·m － 1 ·s － 1 ; σk、σε分别为湍流 脉动动能和耗散率的湍流普朗特数; Gk为由平均速 ·445·