加热圆柱的双喷嘴空气射流冲击冷却文献综述
2021-12-28 11:12
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加热圆柱的双喷嘴空气射流冲击冷却
摘要:为了了解热圆柱的流动和传热特性，对热圆柱的双循环空气射流冲击冷却进行了实验和数值研究。加热后的圆筒表面保持恒定的热流状态。在参数研究中，根据喷嘴直径重新定义的雷诺数在10000到25000之间变化。喷嘴直径与被加热气缸直径的比值d/d保持在0.208。分别在4-20和4-16范围内，研究了双射流无量纲距离（s/d）和喷嘴出口与圆柱表面无量纲距离之比（h/d）的影响。滞止点努塞尔数随s/d的变化无明显变化，但随着s/d的增加，圆柱表面的平均努赛尔数也增加。在本研究中，还探讨了热柱下方的流动限制对传热的影响。实验和数值研究都表明，底部约束增加了传热。
1.介绍
射流冲击是一种广泛应用的传热技术，在特定位置具有较高的传热速率。它用于加热和冷却应用。其中一些重要的应用是燃气轮机叶片的冷却、食品加工、纸张和纺织品的干燥、钢铁和玻璃的材料加工和制造、挤压和轧制工艺。Huber、Viskanta、San、La、Garimella、Schroeder等人对平面多排射流冲击冷却进行了广泛的研究。Saripalli对顶部受限平面上两个射流撞击距离的影响进行了实验流动可视化研究。在本研究中，根据喷嘴直径Red=25000和喷嘴出口到平板表面的无量纲距离h/d为4，定义了雷诺数下喷嘴之间的无量纲距离（s/d）。这项研究显示两股喷流之间形成喷泉。
巴依达尔对单射流和双圆射流对水平平板的约束射流冲击进行了实验研究。对雷诺数进行了参数研究，Red=300–10000，射流出口顶板间距，h/d=0.5–4，射流间距，s/d=2。观察到，在喷嘴出口到撞击表面的无量纲距离处，撞击板上出现一个亚大气区，h/d=2。但在h/d=6时未发现亚大气区。同时还观察到，只有当目标表面存在低气压区时，才会出现局部努赛尔数的二次峰。Fattah研究了Red=95000-224000，h/d=3-12，s/d=3-8和喷射角相对于垂直轴为0-20时的受限圆形双射流冲击流。通过参数研究，得出双射流之间回流区的强度随射流角和射流高度的增大而减小的结论。
尽管对平面单射流和多射流冲击冷却进行了广泛的研究，但对圆柱面和凸面射流冲击冷却的研究还很有限。Gori和Bossi对基于目标加热圆柱直径（4000到25000）和喷嘴出口到圆柱的无量纲距离定义的雷诺数下的圆柱单槽射流冲击冷却进行了实验研究，h/d=2–10，对于固定的气缸直径到狭缝喷嘴的宽度，D/S=2。基于他们的参数研究，他们提供了平均努赛尔数的相关性。Lee等人对雷诺数在半球面上的湍流射流冲击流进行了实验研究，当d/D=0.034-0.089并且h/d=2-10时，实验结果为11,000至50,000 。在h/d=2时，观察到局部努赛尔数变化的第二个峰值，在平面上的射流冲击情况下观察到Redge;23000。
Tawfek在Red=3800-40000，h/d=7-30，d/d=0.06-0.14的条件下，对等温条件下的圆柱单射流冲击换热进行了实验研究，给出了平均努赛尔数的关联式。对于这些相同的参数，Singh等人进行了详细的数值研究。通过数值研究发现，两个方程湍流模型在较低的h/d下显著地高估了滞止努赛尔数。对于在恒定热流条件下的圆柱射流冲击冷却，Singh等人进行了实验和数值研究，给出了驻点努塞尔数的关联式。辛格等人对喷嘴形状对圆柱射流冲击冷却的影响进行了实验和数值研究。在他们的研究中，考虑了圆形、方形和矩形喷嘴。为了提高圆柱单射流冲击冷却时圆柱表面的总传热速率，Singh等人在被加热的圆柱下面使用半圆形凹面流动限制。根据实验和数值计算结果，他们发现在加热圆柱下的约束可以显著地提高局部努赛尔数约24%，平均努赛尔数约17%。
弯曲表面射流冲击换热特性与流动特性密切相关。因此，除了传热分析外，还试图了解圆柱和半圆形凹面单股湍流射流冲击的流动特性。Cornaro等人采用烟线流动可视化技术，研究了圆柱和凹面射流冲击的流动特性。在他们的研究中，他们研究了不同雷诺数下靶面曲率、射流直径、喷嘴对靶面的影响。哈希巴夫等人还对半圆形凹面射流冲击的流动特性进行了详细的研究。利用粒子图像测速技术（PIV），给出了不同位置的平均速度和r.m.s.速度分布。对许多凸面和圆柱面进行有效冷却，需要多射流冲击冷却。Nada对雷诺数为1和多槽射流的圆柱体的传热进行了实验研究，雷诺数根据被加热圆柱体的直径确定，Red=1000–10000，S/D=0.125–0.5，h/S=1–12。他考虑了与圆柱轴对齐的单槽射流和与圆柱轴垂直的多槽射流。单射流中考虑的狭缝长度等于3D，在多射流情况下，射流长度等于D。他观察到，与单狭缝射流相比，当Red、h/S和S/D等参数固定时，多狭缝射流冲击能提供更好的绕缸传热速率。Zuckerman和Lior对雷诺数为5000-80000的多槽射流冲击冷却圆柱进行了数值研究。在本研究中，喷嘴数量从2到8不等，目标直径从喷嘴水力直径的5到10倍不等。通过参数研究，他们发现当喷嘴数为2或4时，平均努赛尔数较高。同一作者还进行了一项数值研究，以确定有限厚的加热圆柱体中的传导效应，其中四个撞击槽射流径向放置在加热圆柱体上。Jiang等人对单槽、双槽和四槽射流沿周向撞击圆柱凸面进行了数值研究，Red=6000–20000，h/S=4–12，D/S=8.5–34。在数值研究的基础上，他们提供了所有三种情况下平均努塞尔数的相关性。
