受限曲率靶面射流冲击传热的脉冲-自激励耦合强化机制

Jet impingement heat transfer is considered as a promising heat transfer enhancement scheme, which has been widely applied in a wide variety of practical applications that aim to achieve intense heating, cooling or drying rates. Innovation on impinging jet heat transfer enhancement is a vital foundation issue to the engineering thermal science. The present project aims at the novel jet impingement featured by ‘pulsation and self-excitation coupling mechanism’ as well as commonly thermal science problems, including inflow pulsation inertial effect in jet pipe, confined jet effect inside the impinging cavity and target curvature effect, etc. Comparing with the previous researches, the main innovations of the present research are outlined as the following: 1) Developing a composite jet impingement scheme by the combination of active pulsation strategy and passive self-excitation strategy. Revealing the coherent structure of jet development and heat transfer mechanism under the combined pulsation and self-excitation. 2) Bringing forward a comprehensive physical model related to ‘inflow pulsation-transmission response-jet impingement’. Revealing the transmission response of pulsating inflow inside a jet pipe and its affecting mechanism on jet impingement heat transfer. 3) Taking the geometric features in real applications into consideration, such as confined impinging cavity and target curvature. Illustrating the flow and heat transfer characteristics of pulsating-self excited jet impingement under different modes, such unconfined/confined cavities, single/multiple jets. The present project provides more comprehensive and deep understandings on the pulsating and self-excited jet impingement, being of significant theoretical and applied values in the innovation and development of heat transfer enhancement techniques.

射流冲击是一种高效的强化传热方式，在高强度加热、冷却和干燥的众多工程领域具有广泛应用。申请项目以高效传热技术发展需求为牵引，围绕“射流脉冲-自激励耦合机制”核心科学问题以及射流腔脉冲进气惯性效应、有限空间射流冲击受限效应和冲击靶面曲率效应等共性基础问题展开研究。项目创新性主要体现在：1) 将射流冲击强化传热的“脉冲”主动方式和“自激励”被动方式有机结合，揭示脉冲-自激励耦合作用下射流发展的拟序结构演变及脉冲-自激励耦合强化传热机制；2) 提出更具普适性的“进气脉冲-传递响应-射流冲击”物理模型，揭示射流腔脉冲进气传递响应规律及其对射流冲击换热的影响机制；3) 结合实际应用中受限空间和曲率靶面结构特征，阐明脉冲-自激励射流在受限/非受限、单股/多股等多种应用模式下的流动换热规律。为发展和创新基于“脉冲”主动方式和“自激励”被动方式相耦合的射流冲击强化传热技术提供理论和应用基础。

射流冲击是一种高效的强化传热方式，在高强度加热、冷却和干燥的众多工程领域具有广泛应用。申请项目以高效传热技术发展需求为牵引，围绕“射流脉冲-自激励耦合机制”核心科学问题以及射流腔脉冲进气惯性效应、有限空间射流冲击受限效应和冲击靶面曲率效应等共性基础问题展开较为系统深入的研究，所取的重要结果归纳如下：.1）开展了基于锯齿和波瓣喷嘴流向涡激励增强射流冲击换热的研究，针对典型的冲击靶面，分别开展了锯齿和波瓣喷嘴强化射流冲击换热的实验和数值模拟研究，结合射流在曲率靶面受限凹腔内部的流场特征，揭示了涡激励射流强化靶面射流冲击的内在机制，获得了典型喷管结构参数对不同曲率靶面射流冲击的影响规律及其作用机制。.2）针对单股脉冲-自激励射流冲击模型，较为系统地研究了射流雷诺数、脉冲频率或斯特劳哈尔数、无量纲冲击间距等对脉冲射流冲击换热的影响，提出了基于修正斯特劳哈尔数(Sr(H/d))的脉冲射流增强传热的判别依据；针对单股脉冲射流冲击受限靶面，提出了附加射流腔的强化传热结构，阐明射流腔的结构参数与进气脉动激励参数的协同效果；同时针对脉冲射流孔口流向涡激励进行了探究。.3）针对强脉动合成射流冲击问题，首次阐释了射流管在传热强化中的作用机制，射流管与孔板相比，在较高的驱动频率和小射流间距比下可以起到改善合成射流冲击换热的效果；提出了合成射流工作过程中的温变效应命题，在特定的活塞驱动激励器结构和靶面热流密度下，获得了合成射流过余温度随频率和冲击间距的基本变化规律，阐明了不同驱动温差定义方式下的努塞尔数差异及各自的内在物理意义；揭示出锯齿和波瓣喷口流向涡在合成射流冲击对流换热中的强化作用机制以及凹腔效应。.4）开展了多股射流冲击换热的实验和数值研究，针对典型的冲击靶面开展了卫星孔射流冲击和交错偏置射流冲击的实验和数值模拟研究，获得了典型结构参数对凹曲率靶面射流冲击的影响规律及其对于内外流共轭传热的作用规律；提出了一种中心分叉孔-外围腰果孔的组合型喷口，揭示出“十字形”分叉孔-腰果孔组合喷口强化脉冲射流冲击对流换热的机制；提出了合成射流在连续射流阵列中集成应用方案并揭示了其强化作用机制及其规律。.项目执行期中，发表学术论文13篇(含录用论文1篇)，其中SCI检索9篇，EI检索2篇；博士研究生3名、硕士研究生2名。