陳振華，崔成成，2，董 奇，楊衛(wèi)華

（1.南京航空航天大學(xué)能院與動(dòng)力學(xué)院，南京 210016；2.東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，南京 210016；3.中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)中國(guó)航發(fā)湖南航空動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲 412002）

渦輪機(jī)匣是冷卻氣體流通的通道，同時(shí)也是發(fā)動(dòng)機(jī)極為重要的承力結(jié)構(gòu)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，冷卻結(jié)構(gòu)眾多，其中尤以沖擊冷卻強(qiáng)度最高。沖擊射流具備高強(qiáng)度換熱的特性，多數(shù)研究被用于渦輪葉片的熱防護(hù)［1］。

Florschuetz L W 等［2-4］發(fā) 現(xiàn) 沖 擊 間 距 在（H／d＝1～3）對(duì)平均Nu的影響不明顯，但對(duì)平均值影響不大；并且研究陣列沖擊下初始橫流的影響，并得到努賽爾數(shù)與雷諾數(shù)、形狀因子等因素之間的函數(shù)關(guān)系。張靖周、楊衛(wèi)華等［5］針對(duì)半封閉通道下沖擊換熱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)雷諾數(shù)、孔間距比和沖擊間距比等參數(shù)下的換熱影響規(guī)律?？妵?guó)君等［6］發(fā)現(xiàn)以滯止區(qū)域?yàn)榉纸纾谄渖淞鱽?lái)流方向壁面的分離比另一側(cè)要提前。Ahmed F B［7］等將典型周向彎曲，圓形截面冷卻沖擊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為水平短直管垂直沖擊光滑靶面模型，得到其對(duì)壓損和換熱的影響。麻麗春［8］發(fā)現(xiàn)渦輪機(jī)匣結(jié)構(gòu)特征和出流孔的形狀會(huì)顯著影響射流空間發(fā)展，從而導(dǎo)致局部和平均換熱效果發(fā)生變化。Marcel León De Paz［9］等對(duì)直徑為0.5和0.25 mm的沖擊射流進(jìn)行數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)：流量不變和小孔徑下，平均換熱系數(shù)提高63%。在葉片上的固定壓降時(shí)，換熱系數(shù)提高了34.3%。

近來(lái)，Attalla M等［10］研究了沖擊雷諾數(shù)、沖擊間距、以及沖擊角度等對(duì)平直沖擊靶板的換熱效率的影響，發(fā)現(xiàn)靶面換熱效率最高的位置隨著沖擊角度的改變而變化。Ortega-Casanova J等［11］數(shù)值模擬研究靶板的表面形狀得出凹形和凸形靶板，其表面的平均換熱效率顯著地高于平板靶面上的效果。Waehayee M等［12］研究了橫流對(duì)沖擊冷卻效果的影響，表明橫流可以增強(qiáng)沖擊換熱效果。Wang K等［13］采用數(shù)值模擬的方法研究了帶出流孔的沖擊冷卻。結(jié)果表明：沖擊間距越小，沖擊靶板平均Nu數(shù)越高。Jia Yu等［14］對(duì)翼前緣凹面上的兩排對(duì)準(zhǔn)射流孔的傳熱特性進(jìn)行了廣泛的實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明：兩排噴射孔的射流沖擊停滯點(diǎn)的傳熱性能與兩排噴射孔的傳熱性能相同。Yamagami S等［15］研究平板向上和向下沖擊的圓形水射流的局部傳熱，得到上表面和下表面之間的熱傳遞速度前者是后者的1.2～2倍。Sriromreun P等［16］研究在凹坑表面上的沖擊射流換熱研究獲得了凹坑對(duì)于換熱提升規(guī)律。Wang L等［17］研究了不同孔間距的射流陣列沖擊，換熱效果在沖擊間距比為3～5時(shí)最好。Yan JK等［18］研究橢圓形翅片陣列射流沖擊傳熱特性時(shí)，發(fā)現(xiàn)在針翅陣列中，射流流量減少33%，平均換熱系數(shù)降低10%。

在高功率密度電子和計(jì)算系統(tǒng)的發(fā)展下，沖擊換熱技術(shù)因其高換熱系數(shù)和易于加工而廣泛應(yīng)用于電子元件降溫方面，Haji Hosseinloo A等［19］研究了一種新型雙腔射流沖擊冷卻系統(tǒng)，并在惡劣環(huán)境下研究其性能。Joshi SN等［20］研究了浸沒(méi)式兩相射流沖擊冷卻器與多孔涂層散熱器和多孔射流結(jié)合的性能。使用R-245fa作為冷卻劑，在5 K的過(guò)冷卻下評(píng)估了4種多孔帶涂層結(jié)構(gòu)的冷卻性能。結(jié)果表明：針翅散熱器的性能最高，其次是開(kāi)放式隧道（OPT），封閉式隧道（CLT）和扁平散熱器。

目前，關(guān)于沖擊換熱的研究，大多是針對(duì)平板沖擊換熱開(kāi)展，研究方法大多是通過(guò)紅外成像、熱色液晶觀察表面的溫度分布。而對(duì)于彎曲靶面的研究并不多見(jiàn)，本文針對(duì)彎曲靶面，徑向進(jìn)氣，無(wú)法采用紅外成像方式測(cè)量，即采用全面布置密集熱電偶的測(cè)量手段，對(duì)以駐點(diǎn)為中心靶板所有區(qū)域進(jìn)行細(xì)致測(cè)溫，準(zhǔn)確得到彎曲靶面隨著沖擊Rej、沖擊間距、橫流比等參數(shù)的變化規(guī)律。在本實(shí)驗(yàn)中，試驗(yàn)件維持原有機(jī)匣形貌取周期段，進(jìn)行研究也是本試驗(yàn)的特色之一。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)以及試驗(yàn)件

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪機(jī)匣局部模型如圖1所示，機(jī)匣內(nèi)壁面承受著來(lái)自渦輪葉柵中燃?xì)獾臎_刷以及燃?xì)饨?jīng)由渦輪導(dǎo)葉帶來(lái)的高額熱量傳遞，防止其因?yàn)檫^(guò)高的熱量傳導(dǎo)引發(fā)結(jié)構(gòu)問(wèn)題。

圖1 機(jī)匣模型

機(jī)匣結(jié)構(gòu)是周期性的，截取整環(huán)1／6段，進(jìn)行弧面非展平式的換熱進(jìn)行試驗(yàn)研究，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 沖擊模型

圖3所示試驗(yàn)系統(tǒng)中，一臺(tái)5 m3／min的空壓機(jī)提供主流，1 000 L／min的質(zhì)量流量控制器測(cè)量主流流量，橫流測(cè)量使用200 L／min的流量計(jì)；采用K型熱電偶（精度±0.1℃）測(cè)量氣流溫度和壁面溫度，流體壓力采集采用PSI9116壓力掃描閥，為給曲面沖擊靶提供溫恒均勻熱流，采用一臺(tái)直流穩(wěn)壓電源為康銅發(fā)熱膜供電，加熱膜熱流均勻恒定?？点~具有厚度一致、展向電阻率均勻且隨溫度變化小、熱流穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，厚度約為0.015 mm，JP對(duì)試驗(yàn)中流動(dòng)過(guò)程干擾影響小。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)圖

圖4所示的試驗(yàn)段剖面圖，主流從沖擊孔上方流入，橫流從沖擊腔側(cè)向進(jìn)入，為保證主流的溫度恒定在25℃左右，主流采用具備自動(dòng)控溫的加熱器進(jìn)行主動(dòng)控制。主流、橫流和沖擊曲面靶板溫度采用K型熱電偶［21］配合溫度巡檢儀進(jìn)行測(cè)量，熱流損失采用鉑電阻（精度±0.1℃）測(cè)量。圖5將測(cè)溫?zé)犭娕及凑贞嚵邪膊逶跊_擊靶板上，熱電偶測(cè)溫尖端與發(fā)熱膜接觸，接觸點(diǎn)處添加高導(dǎo)熱硅脂。

圖4 試驗(yàn)臺(tái)徑向剖視圖

圖5 溫度測(cè)量圖

圖6為沖擊孔位置以及測(cè)點(diǎn)位置的分布，為了避免因?yàn)樵谥芟蛏系挠捎诒欢伦?，在靠近周向端面附近靶板壁面，不能完全展示在整環(huán)上的周向流動(dòng)影響下的壁面換熱情況，將沖擊靶板面中軸線(xiàn)兩邊各一半的區(qū)域粘貼上發(fā)熱膜，在每一塊沖擊板靶板面上的加熱面上，劃分成在x方向上25列特征線(xiàn)組，分別為r-1～r-25，在y方向上12行特征線(xiàn)組，分別為l-1～l-12，總共300個(gè)測(cè)點(diǎn)，由這300個(gè)測(cè)點(diǎn)形成組成弧長(zhǎng)為113 mm、寬50 mm的弧面，在y方向上特征線(xiàn)之間的距離為4 mm，即每4 mm均布一根熱電偶，在x方向上每隔4.5 mm均布一個(gè)測(cè)點(diǎn)位置，將靶面區(qū)域再抽取出單個(gè)周期沖擊區(qū)。在此區(qū)域中，特征線(xiàn)的沖擊駐點(diǎn)位置隨沖擊孔周向沖擊角，沖擊孔的排數(shù)的不同，沖擊的駐點(diǎn)區(qū)域也會(huì)有相應(yīng)的不同。在后續(xù)的結(jié)論分析過(guò)程中，將采用x方向和y方向特征線(xiàn)上的局部Nu對(duì)換熱機(jī)理進(jìn)行分析。

圖6 溫度測(cè)量矩陣示意圖

圖7中各圖描述了各物理參量的定義，H為沖擊間距，α為沖擊孔周向角，β為沖擊孔沖擊角。

圖7 結(jié)構(gòu)參數(shù)定義圖

圖8展示的試驗(yàn)臺(tái)照片，試驗(yàn)段采用有機(jī)玻璃加工，弧形靶板布置K型熱電偶，靶板面每一個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度需要在同一時(shí)刻被記錄下來(lái)。

圖8 試驗(yàn)臺(tái)照片

1.2 試驗(yàn)件與試驗(yàn)工況

表1展示了9種試驗(yàn)結(jié)構(gòu)，分別研究了3種相對(duì)沖擊間距（H／d）、3種沖擊角度（β）、3種沖擊孔周向角（α）和3類(lèi)沖擊孔排數(shù)、4種不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)下對(duì)于曲面靶板表面對(duì)流換熱分布的影響，其沖擊孔徑d為2 mm，沖擊孔深為15 mm，側(cè)邊設(shè)置周向間距角為15°、孔徑為3 mm的出流孔。測(cè)試了沖擊間距 H／d分別為 3、6、9，沖擊角度分別為 45°、75°、90°，沖擊孔周向角為 5°、7.5°、15°和沖擊孔為 1～3排組合成為的9種試驗(yàn)結(jié)構(gòu)，對(duì)于多排孔結(jié)構(gòu)，孔排距恒定為12.5 mm。

表1 試件的結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2為試驗(yàn)工況，設(shè)置6個(gè)入口流量參數(shù)試驗(yàn)點(diǎn)。在研究有初始橫流情況對(duì)于沖擊靶面換熱的影響時(shí)選擇模型S3作為主體結(jié)構(gòu)，沖擊孔側(cè)邊增設(shè)周向角為2°，孔徑為2 mm的橫流孔，以原3、4、5號(hào)測(cè)試點(diǎn)作為基礎(chǔ)，每組測(cè)試點(diǎn)增加3組橫流比。

表2 試驗(yàn)條件

2 參數(shù)確定

研究中，經(jīng)任意沖擊結(jié)構(gòu)的主流質(zhì)量流量一定，并未保證單孔沖擊雷諾數(shù)一致，故當(dāng)量沖擊雷諾數(shù)Rej定義為穿過(guò)曲面靶面的當(dāng)量流量m，選取周期靶面弧線(xiàn)長(zhǎng)度l作為特征長(zhǎng)度，即A0為曲面靶面的面積，μ為主流氣流動(dòng)力黏度。

發(fā)熱膜發(fā)熱量來(lái)源于直流穩(wěn)壓電源提供的電流與電壓產(chǎn)生的焦耳效應(yīng)，其定義為：

式中：且Q＝UI＝12.4 W，U為發(fā)熱膜電壓（V）；I為流經(jīng)發(fā)熱膜的電流（A）；Q為故發(fā)熱熱量（W）。

試驗(yàn)件所采用的材料并不是嚴(yán)格絕熱材料，故實(shí)驗(yàn)過(guò)程中會(huì)存在沖擊靶板壁面由于導(dǎo)熱的存在而造成的熱流損失Qloss，定義為：

試驗(yàn)中，弧形沖擊靶板外表面周向均勻粘貼4個(gè)鉑電阻測(cè)量壁溫，發(fā)熱膜側(cè)壁面溫度平均Tw＝42℃，沖擊靶板外壁平均溫度Toutside＝30.1℃，λ＝0.18 W／（m·K），靶板厚度 δ＝15 mm，A為發(fā)熱面積，可知 Qloss＝1.3 W，Qloss／Q＝10.4%。

則對(duì)流換熱系數(shù)定義為

努塞爾數(shù)定義為

式中λo為氣流的導(dǎo)熱系數(shù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 典型結(jié)構(gòu)下，Rej對(duì)Nu的影響

圖9展現(xiàn)的是沖擊間距H／d＝6，沖擊孔周向角α＝15°，沖擊角度β＝90°的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和無(wú)初始橫流的實(shí)驗(yàn)條件下，6種沖擊Rej分別是2 399、2 741、3 081、3 427、3 769和4 112下的Nu分布云圖。在沖擊氣流的作用下，沖擊面上形成圓形的強(qiáng)換熱區(qū)，并且隨著成Re的增大，沖擊駐點(diǎn)的Nu也在逐漸增大，沖擊氣流覆蓋范圍也在逐漸增大。

圖9 不同Re j下的Nu數(shù)云圖

圖10所示的是l-6特征線(xiàn)上，其局部的Nu呈現(xiàn)出波峰與波谷交替存在，波峰位置對(duì)應(yīng)沖擊駐點(diǎn)而波谷對(duì)應(yīng)相鄰兩束沖擊射流之間的區(qū)域。隨著沖擊Rej的增大，沖擊靶板面上l-6特征線(xiàn)上局部Nu也在增大，在r-8特征線(xiàn)和r-17特征線(xiàn)的位置出現(xiàn)2個(gè)明顯的峰值，因?yàn)闆_擊射流滯止區(qū)速度邊界層與溫度邊界層未經(jīng)過(guò)充分發(fā)展，厚度薄，另一方面是射流束核心區(qū)域攜帶高動(dòng)量流體，擾動(dòng)劇烈，增強(qiáng)了滯止區(qū)域內(nèi)換熱量和換熱速率。由于靶板的阻隔，射流被迫改變流向，由此形成圍繞滯止中心成圓形分布的貼壁射流，在流體黏性作用下，射流動(dòng)能降低，射流強(qiáng)度在逐漸降低，故其換熱能力下降，即曲線(xiàn)上Nu波峰到波谷的交替變化。

同樣的工況下，l-3特征線(xiàn)和l-6特征線(xiàn)上的局部Nu分布，l-6特征線(xiàn)穿過(guò)沖擊駐點(diǎn)，而l-3特征線(xiàn)在偏離l-6特征線(xiàn)左邊13.5d的位置。通過(guò)2幅曲線(xiàn)圖的對(duì)比，穿過(guò)沖擊駐點(diǎn)局部Nu曲線(xiàn)波峰和波谷相差較大，而l-3特征線(xiàn)的波峰和波谷相差較小，曲線(xiàn)相對(duì)平緩，射流影響變?nèi)?，不能直接沖擊，換熱效果變差，峰值降低，而其他區(qū)域的換熱由于貼壁射流趨于平緩，所以波谷位置換熱系數(shù)低于波峰位置的換熱系數(shù)。

圖10 不同Rej下的當(dāng)?shù)豊u數(shù)

3.2 相對(duì)沖擊間距H／d對(duì)Nu的影響

圖11展示了在Rej＝2 399下，3種不同的沖擊間距（H／d）時(shí)靶板上的Nu云圖。不同沖擊間距之間對(duì)應(yīng)的云圖中，換熱效果的分布趨勢(shì)整體一致，沖擊孔下方的駐點(diǎn)區(qū)域形成了明顯的由中心向四周擴(kuò)散的圓形。當(dāng)相對(duì)沖擊間距為3時(shí)，其在所有云圖中處在最高水平，并且隨著相對(duì)沖擊間距的逐步增大，其換熱效果會(huì)更加均勻。

相對(duì)沖擊間距最小時(shí)，沖擊射流束核心射流區(qū)直接沖擊到壁面上，駐點(diǎn)上具有強(qiáng)對(duì)流換熱效果，射流受到?jīng)_擊腔上下壁面的夾持，由于氣流具有黏性，沖擊氣流的動(dòng)能迅速被耗散成小尺度湍流渦，致使氣流貼壁擴(kuò)散動(dòng)能和距離減小，導(dǎo)致沖擊的貼壁射流區(qū)覆蓋面積減小，故出現(xiàn)壁面溫差較大的情況。而當(dāng)沖擊間距增大時(shí)，射流到達(dá)壁面的流動(dòng)時(shí)間同時(shí)也增大了，但貼壁射流區(qū)與上下壁面之間動(dòng)能損失減少，能夠使沖擊氣膜流動(dòng)距離更遠(yuǎn)，覆蓋更多的面積，雖然駐點(diǎn)區(qū)射流強(qiáng)度比小相對(duì)沖擊間距時(shí)要小，溫度反而分布更均勻。

圖11 不同H／d下的Nu數(shù)云圖（Rej＝2 399）

圖12展示了沖擊孔周向角α＝15°，沖擊角度β＝90°，3種沖擊間距，在不同Rej時(shí)，l-6特征線(xiàn)上的局部Nu對(duì)比。可以從曲線(xiàn)圖上明顯看出每條曲線(xiàn)呈現(xiàn)出典型沖擊射流形成的波峰波谷的曲線(xiàn)結(jié)構(gòu)，波峰位置對(duì)應(yīng)的是沖擊駐點(diǎn)下的局部Nu，波谷位置為相鄰兩束沖擊射流影響較小的地方。通過(guò)3種相對(duì)沖擊間距的局部Nu比較，在r-8和r-17特征線(xiàn)附近，相對(duì)沖擊間距越小，局部Nu越大，而在其他區(qū)域位置內(nèi)，相對(duì)沖擊高度越大，換熱越好，這是因?yàn)樵跊_擊腔內(nèi)，沖擊射流貼壁射流沖擊到靶板之后向上卷起，在流體黏性作用下動(dòng)能降低，沖擊腔的上下壁面對(duì)流流動(dòng)有黏性阻力，阻礙貼壁射流的流動(dòng)。且相對(duì)沖擊間距越小，沖擊腔高度越低，向上卷起的射流會(huì)更快地沖擊到上壁面，在氣流黏性的作用下，氣流動(dòng)能很快被耗散掉，流速降低，換熱降低。所以在遠(yuǎn)離駐點(diǎn)位置區(qū)域可觀察到隨沖擊間距的增大，局部的換熱系數(shù)反而上升。

圖12 不同H／d下l-6線(xiàn)的Nu數(shù)

圖13展示的是3種相對(duì)沖擊間距靶板面平均Nu隨Rej的變化曲線(xiàn)，從曲線(xiàn)上可以看出：面平均Nu呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，但在相同的Rej下，上下靶面距離越高換熱越好。

圖13 不同相對(duì)沖擊間距之間的平均Nu數(shù)

3.3 沖擊角度β對(duì)Nu的影響

圖14展示的是沖擊靶板面在3種不同沖擊孔角度（β＝45°、75°和90°）條件下的試驗(yàn)得到的溫度云圖，很明顯可以看到壁面仍然在射流沖擊下形成一個(gè)圓形低溫區(qū)，但隨著沖擊角度的增大，由沖擊形成的低溫區(qū)在逐漸增大，直接受沖擊區(qū)域也從靠近側(cè)壁向中心移動(dòng)，并且沖擊駐點(diǎn)區(qū)域中心溫度也在逐漸降低。相反值得關(guān)注的是高溫區(qū)在逐漸減少并幾乎消失。

圖14 不同沖擊角度下的溫度（Re＝2 399）

在沖擊角度β＝45°時(shí)，由于在相同相對(duì)沖擊間距下（H／d＝6）下射流到壁面的行程相比沖擊角度β＝75°和β＝90°時(shí)更長(zhǎng)，故射流到達(dá)壁面行程沖擊所需要的時(shí)間就會(huì)加長(zhǎng)，并且沖擊射流是呈錐狀擴(kuò)張的，即核心射流區(qū)到達(dá)壁面的強(qiáng)度也會(huì)降低，致使換熱效果進(jìn)一步降低。且?guī)в行毕蚪嵌鹊臎_擊射流也會(huì)導(dǎo)致沖擊氣流沖擊到靶板面上時(shí)并沒(méi)有像正對(duì)沖擊一樣射流沿四周散開(kāi)，而是沿靶板壁面某一方向有橫向流動(dòng)的趨勢(shì)，從而進(jìn)一步削弱沖擊換熱的效果，隨后氣流撞向側(cè)壁。所以我們看到：當(dāng)沖擊角度β＝45°時(shí)，l-6特征線(xiàn)左邊區(qū)域幾乎沒(méi)有受到?jīng)_擊的影響，呈現(xiàn)出高溫區(qū)域，只有沖擊駐點(diǎn)區(qū)域呈現(xiàn)半橢圓形的低溫區(qū)，并且低溫區(qū)溫度相比沖擊角度β＝75°和90°時(shí)更高，其原因也在于此。

圖15展示了6種Rej和3種沖擊角度下，在r-8特征線(xiàn)上的局部Nu對(duì)比曲線(xiàn)。y方向上，分別在曲線(xiàn)圖中①、②、③處存在峰值，因?yàn)閞-8特征線(xiàn)經(jīng)過(guò)的是沖擊駐點(diǎn)區(qū)域，即其所在峰值位置，每一種沖擊角度β對(duì)應(yīng)的峰值位置不一樣，隨沖擊角度的減小，其沖擊位置會(huì)向側(cè)壁面移動(dòng)，在曲線(xiàn)上表現(xiàn)出來(lái)就是峰值向y軸正向移動(dòng)。因?yàn)樯淞餍谐套冮L(zhǎng)，核心射流區(qū)在流動(dòng)過(guò)程中逐漸增大，但其強(qiáng)度逐漸減弱，當(dāng)其沖擊到靶板時(shí)換熱能力相比正對(duì)沖擊時(shí)已大大降低，換熱性能變差，再因沖擊射流斜向沖擊，氣流并未向四周散開(kāi)，而是沿著沖擊方向單向貼壁，且氣流具有動(dòng)量，所以曲線(xiàn)圖上表現(xiàn)出來(lái)的峰值逐漸降低。由于斜向沖擊的單向貼壁射流換熱能力仍然很強(qiáng)，故每條曲線(xiàn)峰值右側(cè)比左側(cè)的換熱系數(shù)要大，也正是由于這個(gè)原因，與溫度云圖所表現(xiàn)出的溫度分布不同相互照應(yīng)，峰值①、②、③的逐漸下降，表現(xiàn)出來(lái)即駐點(diǎn)位置的換熱效果正在降低。

圖15 不同沖擊角度（β）下的Nu

圖16是在不同沖擊角度β下，靶面平均Nu呈現(xiàn)出增大趨勢(shì)，但同時(shí)也注意到，在相同的沖擊Rej下，沖擊角度β＝90°時(shí)最大，β＝75°時(shí)次之，β＝45°時(shí)最小，故換熱效果是當(dāng)沖擊孔垂直壁面沖擊時(shí)靶板面會(huì)有更好的換熱效果。

3.4 沖擊孔周向角α對(duì)Nu的影響

圖17展示的是在同一沖擊Rej下（Rej＝4 112）3種不同沖擊孔周向角下的沖擊靶板Nu分布云圖，隨著沖擊孔周向角α減小，相同弧形靶板面積上存在更多射流束，故從云圖上可以明顯看出：沖擊束形成的強(qiáng)換熱區(qū)越多。

圖16 不同沖擊角度（β）下的平均Nu

圖17 不同α下的Nu數(shù)云圖α（Re＝4 112）

通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：α越大，靶板上的溫度梯度較小，即沖擊孔數(shù)量減少，近壁區(qū)的貼壁射流在氣流黏性作用下迅速向上卷起耗散動(dòng)能，致使沖擊射流氣膜大小有限，難以覆蓋相鄰兩束沖擊氣流之間的區(qū)域。α越大，靶板壁面換熱均勻性越差，由此可知α越大時(shí)，沖擊靶板壁面存在更大的溫度梯度。

值得注意的是，由于試驗(yàn)件上側(cè)進(jìn)氣，進(jìn)氣下方是弧形沖擊板，所有沖擊孔中線(xiàn)方向與進(jìn)氣方向并不一致，主流流到?jīng)_擊靶面上時(shí)在弧形板的分流作用下，氣流會(huì)向兩邊分開(kāi)流動(dòng)。從駐點(diǎn)位置Nu區(qū)域的大小可以看出：此時(shí)，沿周向上會(huì)有流動(dòng)的不均勻性，但靶板的換熱均勻性整體處在可接受的范圍內(nèi)。

圖18展示的是在沖擊Rej＝2 399和4 112時(shí)，不同沖擊孔周向角α下l-6特征線(xiàn)上Nu分布曲線(xiàn)。從曲線(xiàn)上可以看出：3條曲線(xiàn)都呈存在波峰和波谷交替，α越小，所對(duì)應(yīng)的曲線(xiàn)出現(xiàn)的波峰越多，相同靶板面積上存在的沖擊束越多，在沖擊靶面上形成的沖擊駐點(diǎn)也會(huì)越多，從而換熱較強(qiáng)的區(qū)域就會(huì)更多；反之，α越大，曲線(xiàn)的波峰數(shù)量也就會(huì)越少。當(dāng)α＝5°時(shí)，曲線(xiàn)上的峰谷之差小于α＝7.5°時(shí)的曲線(xiàn)，當(dāng)α＝15°時(shí)，峰谷差值最大。這是因?yàn)棣猎叫?，相鄰兩束沖擊氣流間距越小，其之間沖擊氣流發(fā)生的摻混強(qiáng)度越高，雖然相同的氣流量下，α越高，孔數(shù)越多，孔內(nèi)沖擊雷諾數(shù)變小，但正是由于孔與孔之間變密，使靶板面的整體溫度梯度減小，射流之間的區(qū)域換熱會(huì)也得到相應(yīng)的強(qiáng)化。

圖18 不同α下Nu數(shù)

圖19展示了在3種沖擊孔周向角α下，可看出任意一個(gè)α下，面平均Nu增大趨勢(shì)明顯，α＝5°時(shí)，面平均Nu最大。分析認(rèn)為雖然α越小，周期段上孔數(shù)越多，在控制主流質(zhì)量流量一致下，相比多孔導(dǎo)致單孔內(nèi)Re的降低而帶來(lái)的Nu被削弱，α變小而導(dǎo)致的孔數(shù)增多，其帶來(lái)的相鄰兩束射流之間的氣流摻混卷吸作用對(duì)于壁面的換熱增強(qiáng)，后者更具有優(yōu)勢(shì)，所以可以看到在氣流量并沒(méi)有變化的情況下，α的增大對(duì)壁面換熱效果的提升有明顯的效果。

圖19 不同α下平均Nu數(shù)

3.5 初始橫流比（mc／m）對(duì) Nu的影響

圖20中，沖擊孔周向角α＝15°時(shí)，沖擊角度β＝90°的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，因任意主流Rej下靶板面上的Nu云圖分布一致，所以?xún)H展示Rej＝2 399時(shí)，初始橫流的影響下的Nu云圖。從云圖上可以看到：同一Rej下隨著橫流比增大，沖擊駐點(diǎn)處Nu同時(shí)也在增大，綜合換熱效果也在提升，在大橫流比下，沖擊氣流對(duì)壁面的換熱更優(yōu)于小橫流比的情況。

圖20 不同mc／m下的Nu數(shù)云圖（Rej＝2 399）

分析認(rèn)為，橫流的存在將沖擊氣流的二次射流沖散，橫流和沖擊二次射流的摻混過(guò)程，也吹除了沖擊射流在靶板壁面上形成的附面層，增大流體與固壁之間的換熱量，達(dá)到降溫的目的。并且隨著橫流的增加，也增大了沖擊腔內(nèi)整體的進(jìn)氣量，氣流量的增多，增大了氣流帶走靶板表面熱量的能力，從而進(jìn)一步增大腔內(nèi)的換熱量。

圖21展示的是在初始橫流比mc／m＝0.2下，l-3、l-6和l-10特征線(xiàn)上的Nu分布曲線(xiàn)。圖中值得注意的是：l-3和l-10位置是距l(xiāng)-6相同距離的特征線(xiàn)，因?yàn)閘-3線(xiàn)位置靠近初始橫流入口，l-10的Nu整體水平比l-3的低，可以看到初始橫流能夠加快換熱。

圖21 相同mc／m下的當(dāng)?shù)豊u數(shù)

圖22展示了在不同Rej下，初始橫流比mc／m＝0、0.05、0.1和 0.2時(shí)，l-6線(xiàn)上的局部 Nu，其局部的Nu在橫流比為0.2時(shí)最大，這和之前的分析結(jié)論一致。圖23展示的是在不同主流Rej，不同橫流比影響下的靶板面平均Nu，由于橫流比的存在和逐漸變大，使得局部的Nu在逐漸增大。

圖22 不同mc／m下的當(dāng)?shù)豊u數(shù)

圖23 橫流影響下的表面平均Nu數(shù)

4 誤差分析

在實(shí)際各種因素的影響下，試驗(yàn)過(guò)程中必然存在誤差，在正確的測(cè)量結(jié)果中是不允許粗差存在的，所以要估計(jì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差只有系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差兩類(lèi)［22］。

根據(jù)誤差傳遞理論，含個(gè)獨(dú)立變量的函數(shù)的誤差為：

式中，Δx1，Δx2，…，Δxn分別為獨(dú)立變量 x1，x2，…，xn的絕對(duì)誤差。則 ΔY的不確定度為：

則Nu的不確定度公式為：

式中Tw、Tj分別為沖擊靶面溫度和沖擊射流入口溫度。如果試驗(yàn)在2 min之內(nèi)，壁面溫度變化趨于穩(wěn)定，同接觸點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)的加熱膜上的真實(shí)溫度的誤差為0.3℃；熱電偶測(cè)溫精度為 ±1℃，ΔTw＝0.9℃，ΔTj＝1℃。

Re越小其誤差越大，因此對(duì)最小Re進(jìn)行分析。此工況下 Tw＝38.9℃、Tj＝26.5℃，實(shí)驗(yàn)中的電流、電壓通過(guò)萬(wàn)用電表測(cè)量，其精確度在±1%以?xún)?nèi)，將實(shí)驗(yàn)中所測(cè)得的各個(gè)數(shù)據(jù)代入式（8），得Nu最大誤差不超過(guò)12.3%。

5 結(jié)論

1）在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，沖擊靶面的對(duì)流換熱系數(shù)隨Rej的增大而升高。

2）在相同其他結(jié)構(gòu)參數(shù)下，隨著不同相對(duì)沖擊間距（H／d）的增大，溫度的分布更加均勻，但對(duì)流換熱系數(shù)逐漸減小。

3）在相同其他結(jié)構(gòu)參數(shù)下，隨著沖擊角度β增大，彎曲靶面換熱效果逐漸增強(qiáng)。

4）在相同的入口條件下，靶面換熱系數(shù)隨沖擊孔周向角α的減小而增大。

5）在入口Rej不變的情況下，初始橫流增加了靶面近壁區(qū)附面層的吹除效果，隨即也提升了靶面的對(duì)流換熱系數(shù)，且隨初始橫流比的增大而增大。