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 447· 模型计算获得的壁面换热Nu与实验数据同的对比 图，横坐标为量纲一的周向距离S/B(凸形表面某 位置距驻点的周向距离与狭缝宽度之比).由图可 知：SST k-w模型计算结果在趋势上与实验数据相 差较远，说明SSTk一w模型对于狭缝宽度与柱状凸 边界县 分高点 形表面尺度具有显著差异的狭缝射流冲击柱状凸形 M rmmcccermmmff 边界层分离点M 表面的预测是不适用的：Realizable k一e模型和RNG k一e模型与实验数据的吻合程度较好；Standard k-s 模型在驻点区域过大而流动下游区域过小地预测了 (a) (b) 狭缝射流冲击柱状凸形表面的换热能力. 图3狭缝射流冲击柱状凸形表面流场分布(B=10mm,D/B= 17,Re=11000).(a)流场分布：(b)边界层分离局部放大矢 量图 △ 实晚数据 RNGC k-E Fig.3 Flow distribution of slot jet impingement to a cylindrical con- Realicable k-g vex surface (B=10mm,D/B=17,Re =11000):(a)flow distribu- Standard k-g tion:(b)partial magnified vector of boundary layer separation 50 -----STk- 急剧下降，形成明显的负压区，并沿表面扩展至下 40 游，此时压力逐渐恢复，形成逆向压力梯度（简称逆 压梯度)，边界层即在此逆压梯度的作用下产生 功 分离. 1.5 200 10 S/B -D/B=34.0 ---D/B=17.0 图2湍流模型预测结果与实验数据对比 1.0 Fig.2 Comparison of experimental data with the numerical results of urbulence models 05 因此，本文选择Realizable k-e模型对狭缝射流 冲击柱状凸形表面展开研究，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. 3结果及讨论 50 100 150 B1) 3.1流动特性 图4沿柱状凸形表面的压力系数分布 狭缝射流冲击至柱状凸形表面，在冲击驻点区 Fig.4 Pressure coefficient distribution along the cylindrical convex surface 域速度方向发生转变，气体在向心力的作用下沿工 件表面运动，速度逐渐降低，并在流动下游区域产生 以距壁面1×10~6m位置的速度为依据，其速 边界层分离，如图3所示 度值为0且速度方向发生转变处即认为是边界层分 边界层分离的原因在于气体射流沿壁面流动过 离点，在被冲击柱体直径分别为85.0、113.3、170.0 程产生了逆压梯度.图4为Re=11000时，在四种 和340.0mm的情况下，可获得边界层分离角度分别 量纲一曲率半径D/B(B=10mm时，D=85.0、 为146.7°、148.5°、149.1°和160.5°，即被冲击柱状 113.3、170.0和340.0mm及D=170mm时，B=5、 凸形表面直径越小，边界层分离越早：同样，当狭缝 10、15和20mm)下沿被冲击柱状凸形表面的压力 宽度分别为5、10和20mm时，其边界层分离角度分 系数分布，压力系数C定义为C。=2p/(p),横坐 别为152.4°、149.1°和147.7°，狭缝宽度越大，边界 标为沿被冲击柱状凸形表面的圆心角日（驻点位置 层分离越早. 0=0).由图可知，狭缝射流冲击柱状凸形表面在驻 经研究发现，逆压梯度大小对边界层分离点位 点处具有最高的压力值，随着流动的发展，压力系数 置具有重要影响.定义量纲一的压力梯度为dC。/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 模型计算获得的壁面换热 Nu 与实验数据［3］的对比 图，横坐标为量纲一的周向距离 S /B ( 凸形表面某 位置距驻点的周向距离与狭缝宽度之比) ． 由图可 知: SST k--ω 模型计算结果在趋势上与实验数据相 差较远，说明 SST k--ω 模型对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 表面的预测是不适用的; Realizable k--ε 模型和 RNG k--ε 模型与实验数据的吻合程度较好; Standard k--ε 模型在驻点区域过大而流动下游区域过小地预测了 狭缝射流冲击柱状凸形表面的换热能力． 图 2 湍流模型预测结果与实验数据对比 Fig． 2 Comparison of experimental data with the numerical results of turbulence models 因此，本文选择 Realizable k--ε 模型对狭缝射流 冲击柱状凸形表面展开研究，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． 3 结果及讨论 3. 1 流动特性 狭缝射流冲击至柱状凸形表面，在冲击驻点区 域速度方向发生转变，气体在向心力的作用下沿工 件表面运动，速度逐渐降低，并在流动下游区域产生 边界层分离，如图 3 所示． 边界层分离的原因在于气体射流沿壁面流动过 程产生了逆压梯度． 图 4 为 Re = 11 000 时，在四种 量纲一 曲 率 半 径 D/B ( B = 10 mm 时，D = 85. 0、 113. 3、170. 0 和 340. 0 mm 及 D = 170 mm 时，B = 5、 10、15 和 20 mm) 下沿被冲击柱状凸形表面的压力 系数分布，压力系数 C0定义为 C0 = 2p /( ρu2 0 ) ，横坐 标为沿被冲击柱状凸形表面的圆心角 θ ( 驻点位置 θ = 0) ． 由图可知，狭缝射流冲击柱状凸形表面在驻 点处具有最高的压力值，随着流动的发展，压力系数 图 3 狭缝射流冲击柱状凸形表面流场分布( B = 10 mm，D/B = 17，Re = 11 000) ． ( a) 流场分布; ( b) 边界层分离局部放大矢 量图 Fig． 3 Flow distribution of slot jet impingement to a cylindrical con￾vex surface ( B = 10 mm，D/B = 17，Re = 11000) : ( a) flow distribu￾tion; ( b) partial magnified vector of boundary layer separation 急剧下降，形成明显的负压区，并沿表面扩展至下 游，此时压力逐渐恢复，形成逆向压力梯度( 简称逆 压梯度) ，边界层即在此逆压梯度的作用下产生 分离． 图 4 沿柱状凸形表面的压力系数分布 Fig． 4 Pressure coefficient distribution along the cylindrical convex surface 以距壁面 1 × 10 － 6 m 位置的速度为依据，其速 度值为 0 且速度方向发生转变处即认为是边界层分 离点，在被冲击柱体直径分别为 85. 0、113. 3、170. 0 和 340. 0 mm 的情况下，可获得边界层分离角度分别 为 146. 7°、148. 5°、149. 1°和 160. 5°，即被冲击柱状 凸形表面直径越小，边界层分离越早; 同样，当狭缝 宽度分别为 5、10 和 20 mm 时，其边界层分离角度分 别为 152. 4°、149. 1°和 147. 7°，狭缝宽度越大，边界 层分离越早． 经研究发现，逆压梯度大小对边界层分离点位 置具有重要影响． 定义量纲一的压力梯度为 dC0 / ·447·