处于随机扰动下的风幕射流流动稳定性与传热传质特性研究

平面风幕射流的流动极易受到外界的干扰，而且在实际应用中扰动常常呈现出很强的随机性，导致风幕具有极其复杂的流动特性和传热传质规律，因此风幕射流流动的稳定性是公认的影响其性能的重要因素，但迄今缺乏系统深入的研究。本项目首先深入分析处于离散固定扰动源作用下的风幕射流流动稳定性和典型扰动形式对稳定流动平衡点的影响规律，分别考虑水平与垂直风幕当扰动源处于射流初始段和充分发展段对流动稳定性的耦合影响，以及等温与非等温风幕在扰动作用下失稳机理的差异，在此基础上引入随机微分方程和稳定性分析理论，重点对处于随机扰动作用下的风幕射流流动特性与传热传质规律进行研究。这一项目的关键点和难点在于固定扰动源作用下的风幕射流流动特性的定量观测与分析，以及随机扰动作用下的风幕射流数理模型的建立。本项目的成功实施可以从根本上揭示风幕射流流动与传热传质的内在影响因素和参数控制规律，为提高平面风幕运行的稳定性提供基础理论支持。

平面风幕射流流动的稳定性是影响其性能的重要因素。本项目从数值计算和实验研究两方面对水平与垂直非等温风幕流动的稳定性和传热传质特性进行研究，分析影响其流动稳定性的关键因素。对非等温风幕流动特性的研究和分析发现，垂直冷风幕沿流动方向上速度分量的分布情况呈现相似性，初始段内风幕表现为加速，最大纵向速度可达到初始速度的约1.3倍，在此之后重力对风幕加速流动的影响开始逐渐减弱，主流速度由于动量耗散而开始衰减。对垂直非等温风幕流动特性及稳定性的研究发现，要形成完整的风幕取决于惯性力、重力以及由密度差导致的风幕两侧压差的综合作用，对应于不同情况，存在一个临界Ri数来表征保证风幕稳定的条件。而水平非等温风幕虽也存在保持稳定流动的临界Ri数，但水平非等温风幕的稳定性远好于垂直风幕，对于风幕设计而言稳定范围更宽。对处于外界扰动下的风幕射流流动稳定性研究结果显示，不同参数对冷风幕的影响程度及冷风幕重新达到平衡所需要的时间是不同的：压力扰动的影响较小，但是重新达到平衡所需要的时间很长；出风速度扰动后重新达到平衡的时间最短，出风温度扰动次之，但出风温度和出风速度的变化对风幕影响幅度要比压力更大。