湯振彪，崔曉鈺

（上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，上海 200093）

近年來，電子元件呈現(xiàn)出小型化的趨勢，隨著晶體管密度和處理速度的增加，表面熱流水平持續(xù)提高。如果不能有效地控制散熱，電子設(shè)備產(chǎn)生的多余熱量會使其自身達(dá)到不可接受的溫度水平，將對其性能、可靠性和壽命產(chǎn)生不利影響。預(yù)計在不久的將來，高性能電子產(chǎn)品將產(chǎn)生超過1kW/cm的熱流密度，因此必須采用更加高效的冷卻方法來適應(yīng)不斷增加的熱流密度。

射流沖擊是指流體通過一個或多個具有一定幾何形狀和分布形態(tài)的孔或槽之后，以一定速度離開固體邊界后繼續(xù)流動，沖擊到固體壁面上，以對流換熱的形式帶走沖擊表面上的熱量，然后通過一定路徑離開換熱面的過程，用表示對流換熱強(qiáng)烈程度的努塞爾數(shù)（）來表征換熱效果。努塞爾數(shù)的大小和分布依賴于一些參數(shù)，包括普朗特數(shù)（）、雷諾數(shù)（）、噴嘴直徑（）、噴嘴的厚度與直徑之比（/）、噴嘴-沖擊表面間距與噴嘴直徑之比（/）以及射流噴嘴和沖擊表面的物理幾何形狀等。射流沖擊過程中的流場可分為自由射流區(qū)、滯止區(qū)和壁流區(qū)3個區(qū)，如圖1所示。射流流體直接沖擊的點(diǎn)被稱為滯止點(diǎn)，在滯止點(diǎn)附近會實(shí)現(xiàn)最高效的換熱，局部努塞爾數(shù)也最大。

圖1 單孔射流沖擊流場結(jié)構(gòu)示意圖

單孔射流沖擊過程中，流體離開噴嘴向換熱表面沖擊時，流束邊緣在剪切應(yīng)力的作用下與周圍靜止流體發(fā)生質(zhì)量、動量和能量的交換，流束寬度與質(zhì)量增加，速度變小。當(dāng)流束接觸壁面時，流體主體流向開始改變，便到了滯止區(qū)。由于射流流體的沖擊，壁面上方會產(chǎn)生逆壓梯度作用在流束上，迫使軸向流動減速并轉(zhuǎn)變?yōu)檠乇诿娴募铀倭鲃?。在正?yīng)力和切應(yīng)力作用下，產(chǎn)生劇烈湍流，提高換熱流體的努塞爾數(shù)。在陣列射流沖擊過程中，射流流體到達(dá)換熱表面后，沿壁面流動的流體對沖并匯聚在一起，形成向上的“泉涌”，如圖2 所示，這是存在于陣列射流流體之間，而單孔射流所不具備的作用形式，“泉涌”的形成會引起流體的再循環(huán)，有利于射流工質(zhì)和壁面進(jìn)行換熱。Webb等還對單孔射流和陣列射流的換熱特性進(jìn)行了仔細(xì)的研究，發(fā)現(xiàn)陣列射流在沖擊過程中可以產(chǎn)生多個滯止區(qū)，具有極高的局部傳熱系數(shù)，根據(jù)射流間距和交叉流動等方面的不同，可以在整個表面上保持較高的局部表面換熱系數(shù)，而且會有非常高的表面平均傳熱系數(shù)和更均勻的表面溫度分布，更有利于壁面的換熱。

圖2 陣列射流沖擊流場結(jié)構(gòu)示意圖

陣列射流沖擊冷卻因能產(chǎn)生極強(qiáng)的對流換熱效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)高熱流密度熱量的排散，所以被認(rèn)為是解決高熱流密度散熱問題最有效的技術(shù)之一。目前應(yīng)用最為廣泛的兩種冷卻方式分別為空氣冷卻和液體冷卻，與空氣冷卻相比，液體冷卻具有散熱能力強(qiáng)、能效比高和噪聲低的優(yōu)點(diǎn)，采用液體射流冷卻散熱方式的應(yīng)用越來越多。如燃?xì)廨啓C(jī)葉片的冷卻使用射流沖擊對葉片進(jìn)行快速冷卻，液體射流組織冷凍手術(shù)、玻璃加工、金屬退火，通過安裝在傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)干燥器上的射流沖擊強(qiáng)化傳熱的效果來干燥紡織品和紙張，中央處理單元器件的冷卻，太陽能集熱器和光伏電池的射流沖擊冷卻等。影響液體陣列射流換熱的主要因素為液體換熱工質(zhì)及傳熱結(jié)構(gòu)（噴嘴孔型、噴嘴排列方式和沖擊表面結(jié)構(gòu)），因陣列射流能夠滿足大面積熱源的換熱需求，并大大提高整個換熱面的換熱效率，且壁面溫度分布均勻，所以更有應(yīng)用前景。圖3所示為某液體陣列射流沖擊冷板的結(jié)構(gòu)及其剖視圖，可以看出，射流冷板的上面為噴嘴，下面為出液口，進(jìn)出液口中間為冷板。液體冷卻工質(zhì)從噴嘴進(jìn)入，之后以極高的速度噴射到冷板上面，在噴射沖擊的過程中帶走目標(biāo)表面的熱量，最后冷卻工質(zhì)從出液口流出，完成液體射流沖擊的冷卻過程。

圖3 射流沖擊冷板結(jié)構(gòu)及其剖視圖

液體陣列射流中換熱工質(zhì)主要為液體換熱工質(zhì)和納米流體換熱工質(zhì)，冷板內(nèi)對液體陣列射流性能產(chǎn)生影響的結(jié)構(gòu)參數(shù)有很多，其中噴嘴孔型、噴嘴的排列方式和沖擊表面結(jié)構(gòu)是對換熱性能影響最大的三種結(jié)構(gòu)參數(shù)，如圖4～圖6舉例所示。

圖4 噴嘴孔型舉例

圖5 射流孔排列方式舉例

圖6 沖擊表面結(jié)構(gòu)舉例

本文結(jié)合國內(nèi)外研究進(jìn)展，總結(jié)了換熱介質(zhì)及不同沖擊結(jié)構(gòu)（包括噴嘴孔型、噴嘴的排列方式和沖擊表面結(jié)構(gòu)）對液體陣列射流沖擊換熱能力的影響規(guī)律，最后對其研究發(fā)展及應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

1 陣列射流工質(zhì)

1.1 液體換熱工質(zhì)

液體陣列射流沖擊換熱表面時產(chǎn)生的流體對流具有很高的傳熱速率，常見的液體換熱工質(zhì)有去離子水、FC72、R134a、過冷乙二醇水溶液、變壓器油、HFE-7000、FC40、R-113等。

去離子水具有優(yōu)異的熱性能，可用于絕大多數(shù)的液體陣列射流冷卻中。去離子水的蒸發(fā)焓比大多數(shù)電介質(zhì)傳熱流體大兩個數(shù)量級，在高通量冷卻應(yīng)用中擁有明顯的優(yōu)勢；當(dāng)水在大氣壓力下的飽和溫度大于冷卻目標(biāo)中允許的最高溫度極限時，可以通過降低工作系統(tǒng)的壓力滿足溫度限制。盡管去離子水擁有較高的傳熱特性，但在與電子設(shè)備直接接觸的冷卻過程中，去離子水的純凈度下降，電導(dǎo)率增加，會導(dǎo)致電子設(shè)備中元器件的短路，從而對設(shè)備造成損壞，不能正常運(yùn)行，因此去離子水通常不會用于精密電子設(shè)備的直接接觸冷卻。FC40、FC72等電子冷卻劑的出現(xiàn)解決了這一難題，它可與電子設(shè)備進(jìn)行直接接觸冷卻，且不會對其造成損壞。為了提高微處理器和國防應(yīng)用組件等電子設(shè)備冷卻的傳熱性能，F(xiàn)C72 介質(zhì)流體的陣列射流沖擊受到越來越多的關(guān)注，F(xiàn)C72 被廣泛用于電子設(shè)備冷卻。除了電子冷卻劑，制冷劑R134a也是電子設(shè)備冷卻中最常用的一種，在相同的流動條件下，R134a的單位面積平均傳熱系數(shù)比水的傳熱系數(shù)低，因此通常使用沸騰傳熱的方法來加強(qiáng)熱量的傳遞，去除設(shè)備產(chǎn)生的高熱量。Browne等將17個直徑為112μm的射流孔交錯排列在1mm的加熱器上，對R134a陣列射流沖擊的流動沸騰傳熱進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，沸騰傳熱增強(qiáng)了R134a 熱量的傳遞，最大熱通量為590W/cm。Shin等利用介質(zhì)冷卻劑HFE-7000，在雷諾數(shù)為162～4057、熱通量為10～80W/cm的條件下，對尺寸為1.9mm×14.8mm×210μm的微通道在陣列射流沖擊下的局部傳熱進(jìn)行了數(shù)值和實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，HFE-7000 傳熱性能穩(wěn)定，適用于微通道設(shè)備冷卻。

在一些特定的環(huán)境下，需使用特定比例和特定性能的換熱介質(zhì)，才能達(dá)到理想的換熱效果。例如在工作環(huán)境溫度通常低至-20℃的外太空，就要應(yīng)用到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為43%的乙二醇水溶液。Hong 等將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為43%的乙二醇水溶液（固化溫度約為-25℃）應(yīng)用在模擬外太空冷卻設(shè)備中，建立了一個閉環(huán)實(shí)驗(yàn)裝置，研究了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為43%的乙二醇水溶液在低射流速度和大過冷度兩種條件下的陣列射流沖擊過程，結(jié)果表明，在最佳的噴嘴-沖擊表面距離和射流速度下，射流沖擊可以達(dá)到最佳的傳熱性能。例如填充在變壓器絕緣材料之間的冷卻介質(zhì)，需在不影響活動部件運(yùn)動速度的前提下，保證較高的熱傳導(dǎo)，因此對運(yùn)動黏度有一定的要求。變壓器在運(yùn)行過程中，溶解在介質(zhì)中的氧氣、雜質(zhì)和金屬催化劑等受電弧、溫度的影響會發(fā)生氧化、裂解等化學(xué)反應(yīng)，不斷發(fā)生質(zhì)變，所以對抗氧化作用有一定要求，還需要較低的腐蝕性等要求。運(yùn)動黏度低、氧化安定性強(qiáng)、腐蝕性低的變壓器油經(jīng)常使用在變壓器的冷卻中，Ma 等用直徑為1mm 的小孔噴嘴射流的變壓器油沖擊恒定熱流的表面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測量了換熱表面陣列射流沖擊傳熱系數(shù)的局部特性，并使用經(jīng)驗(yàn)公式對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了關(guān)聯(lián)，研究表明，變壓器油陣列射流沖擊用于內(nèi)燃機(jī)的冷卻系統(tǒng)可取得非常有效的冷卻效果。

1.2 納米流體換熱工質(zhì)

納米顆粒流體具有顯著強(qiáng)化換熱的特性，研究者做了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果證明納米顆粒流體射流的對流換熱系數(shù)遠(yuǎn)高于基礎(chǔ)流體。

如表1所示，金屬銅及其氧化物和金屬鋁及其氧化物是常用的納米顆粒，在流體中加入金屬納米顆粒作為流體，顯著改善了流體的傳熱性能。如Modak 等在氧化銅納米流體射流沖擊的實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氧化銅體積分?jǐn)?shù)為0.15%和0.60%時努塞爾數(shù)比純水提高了14%和90%。Lyu 等在研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氧化鋁-水納米流體含有2.0%（體積分?jǐn)?shù)）的納米顆粒，垂直向下撞擊=12000 時，換熱系數(shù)比純水時提高61.4%。

表1 納米流體換熱工質(zhì)表

納米顆粒流體的濃度對換熱性能有很大的影響，濃度太大會使納米顆粒沉積過多，從而導(dǎo)致流體流動性差，濃度太小不能完全發(fā)揮納米流體的換熱性能。Lyu 等研究了納米顆粒體積分?jǐn)?shù)為1.0%、2.0%和3.0%的二氧化硅納米流體在雷諾數(shù)為8000～13000 時的換熱效果，與純水相比，體積分?jǐn)?shù)為3.0%的納米流體對流換熱系數(shù)最大提高了40%，并且在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，納米流體的對流換熱系數(shù)隨納米顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加而增大。納米流體的對流換熱系數(shù)隨體積分?jǐn)?shù)的增加也是有限的，Su等通過自行研制的射流沖擊實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，納米流體冷卻劑與傳統(tǒng)冷卻劑相比，具有更高的傳熱系數(shù)，但其體積分?jǐn)?shù)的增加對提高傳熱系數(shù)的作用是有限的，超過一定的體積分?jǐn)?shù)傳熱系數(shù)的變化會呈下降趨勢。

在金屬銅及其氧化物納米流體中，25nm 的顆粒傳熱增強(qiáng)效果高于100nm的顆粒，顆粒大小對銅納米流體的影響較大，在金屬鋁及其氧化物納米流體中，納米顆粒的體積分?jǐn)?shù)占影響因素的主導(dǎo)地位，體積分?jǐn)?shù)較高時傳熱效果好。Sun 等對納米流體射流沖擊在熱交換器中的運(yùn)行效果進(jìn)行了綜合研究，結(jié)果表明，納米顆粒不僅能顯著改善傳熱性能，且對壓降沒有明顯影響。納米流體以優(yōu)異的熱導(dǎo)性和穩(wěn)定性，為射流沖擊工質(zhì)提供了新選擇。

為了探究納米流體陣列射流強(qiáng)化換熱的原因，Modak 等對氧化銅納米流體射流沖擊熱表面的換熱特性進(jìn)行了研究。在不同的雷諾數(shù)（5000～12000）、納米流體體積分?jǐn)?shù)（0.15%、0.60%的氧化銅-水納米流體）和噴嘴-沖擊表面間距/噴嘴直徑（/=6,12）的情況下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)出納米流體射流沖擊強(qiáng)化傳熱的三個原因：首先，納米顆粒的存在提高了納米流體的導(dǎo)熱性；其次，在納米顆粒沖擊換熱表面的過程中，換熱表面流體的湍流度增大，邊界層厚度減小，從而使換熱速率增大；最后，因?yàn)榧{米流體中的納米顆粒在換熱表面沉積，增加了沖擊表面的潤濕性。

液體換熱工質(zhì)作為陣列射流中的重要導(dǎo)熱介質(zhì)，對換熱效果有著重要的影響，隨著對液體射流沖擊的不斷研究，學(xué)者們的研究對象也越來越豐富廣泛，已經(jīng)不滿足于傳統(tǒng)的制冷劑，還有專用于電子冷卻的電子冷卻劑FC40、FC72，可在低溫環(huán)境中使用的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為43%的乙二醇水溶液，強(qiáng)化換熱效果顯著的納米顆粒流體等。在陣列射流沖擊中引入近些年研究出的新型換熱工質(zhì)，來進(jìn)一步提升陣列射流的換熱性能，可以作為提高陣列射流換熱效果的新思路。

2 陣列射流結(jié)構(gòu)

2.1 噴嘴孔型

液體陣列射流沖擊中噴嘴孔型對沖擊換熱的能力有著很大的影響，許多研究已經(jīng)對單孔射流沖擊進(jìn)行了研究，并提供了有關(guān)去離子水、FC-77等換熱介質(zhì)的傳熱數(shù)據(jù)。研究結(jié)果表明，單孔射流沖擊的局部傳熱系數(shù)的分布呈正態(tài)分布，最大傳熱系數(shù)出現(xiàn)在滯止點(diǎn)附近，并隨著離滯止點(diǎn)徑向距離的增大而減小。而液體陣列射流沖擊的主要特點(diǎn)是產(chǎn)生多個射流滯止區(qū)，可以在整個表面上保持較高的局部換熱系數(shù)，還有非常高的平均傳熱系數(shù)和更均勻的表面溫度分布。

液體陣列射流沖擊過程中不同形狀的噴嘴適用于不同的情形，其中整體效果較好的圓形噴嘴應(yīng)用最為廣泛。Gulati 等研究了三種不同形狀的噴嘴射流沖擊光滑平面時對局部努塞爾數(shù)分布的影響，三種噴嘴分別是當(dāng)量直徑為20mm的圓形、方形和矩形噴嘴。結(jié)果表明，與方形和矩形噴嘴提供的傳熱相比，圓形噴嘴實(shí)現(xiàn)了最高的傳熱效率，并且圓形噴嘴的直徑相對較大時射流強(qiáng)度高。Lee 等的研究發(fā)現(xiàn)，在所有量綱為1參數(shù)保持不變、雷諾數(shù)為23000的情況下，噴嘴直徑對射流沖擊區(qū)域的努塞爾數(shù)有很大的影響。實(shí)驗(yàn)過程中使用了射流孔徑為13.6～34.0mm的噴嘴，從最小的噴嘴到最大的噴嘴，局部努塞爾數(shù)增加了約10%，這是因?yàn)殡S著噴嘴直徑的增大，湍流強(qiáng)度增加，從而導(dǎo)致滯止點(diǎn)處的換熱增加。研究者Fabbri 和Dhir使用去離子水和FC40 作為實(shí)驗(yàn)液體，對圓形自由表面射流陣列下的換熱進(jìn)行了研究，測試了10 種不同噴嘴直徑下的陣列射流沖擊，通過最小化冷卻劑流量和送液泵所需的功率，獲得了陣列射流沖擊的最優(yōu)幾何參數(shù)配置，在陣列射流沖擊中使用合適的噴嘴直徑會極大地提高射流換熱的冷卻能力。李超等在純水射流沖擊換熱數(shù)值模擬研究中，基于Fluent 軟件，在不同參數(shù)下對射流沖擊區(qū)域的對流換熱過程建立了射流沖擊換熱模型進(jìn)行有限元仿真，系統(tǒng)地分析了噴嘴直徑對純水射流沖擊換熱過程的影響。隨著噴嘴直徑增大，射流直徑和流量增大，使得邊界層速度增大，射流水和壁面之間的對流邊界層變薄，射流水與壁面之間的對流換熱系數(shù)增大。

噴嘴內(nèi)部的倒角也會影響射流液體的流動和流體在換熱表面上的熱量傳遞，進(jìn)而導(dǎo)致沖擊表面上的努塞爾數(shù)不同。研究者M(jìn)arzec等利用計算流體動力學(xué)模擬軟件，研究了陣列射流沖擊中不同幾何形狀的噴嘴倒角對沖擊表面流動機(jī)理和恒溫?fù)Q熱的影響，驗(yàn)證了這一結(jié)論。Royne 和Dey在雷諾數(shù)為1000～7700 的范圍內(nèi)實(shí)驗(yàn)對比了四組陣列射流，所有射流陣列均為四噴嘴陣列，所有噴嘴都有相同的幾何直徑=1.4mm，噴嘴間距與直徑比為/=7.14，噴嘴-沖擊表面間距與直徑比為/=3.57，每組噴嘴的幾何形狀都不相同，包括短直、長直、尖邊和沉邊噴嘴，如圖7 所示，與直線形噴嘴相比，棱角形噴嘴的平均換熱系數(shù)更高。Whelan等對45 個固定幾何直徑為1.0mm、固定射流間距為5mm 的射流陣列、噴嘴間距與直徑比/=5、雷諾數(shù)為800～10000 的范圍內(nèi)進(jìn)行了研究，6 種不同的噴嘴幾何形狀如圖8所示。研究發(fā)現(xiàn)，對噴嘴入口進(jìn)行倒角和輪廓處理后，沖擊表面的平均傳熱系數(shù)得到提高。Popiel 等還測量了等雷諾數(shù)下尖邊噴嘴和鐘形噴嘴射流的傳熱特性。與鐘形噴嘴相比，尖邊噴嘴的尖銳孔形導(dǎo)致了射流的收縮，從而產(chǎn)生較高的中線速度，因此尖邊噴嘴射流的換熱能力比鐘形噴嘴的換熱能力強(qiáng)。

圖7 短直噴嘴、長直噴嘴、尖邊噴嘴和沉邊噴嘴結(jié)構(gòu)[44]

圖8 6種不同的噴嘴幾何形狀[45]

學(xué)者Lee 等比較了尖邊、方邊和標(biāo)準(zhǔn)邊三種幾何形狀的噴嘴換熱特性，發(fā)現(xiàn)尖邊噴嘴的局部努塞爾數(shù)和平均努塞爾數(shù)最高，因?yàn)榧膺厙娮斓牧黧w湍流特性更強(qiáng)，而且在較小的噴嘴-沖擊表面間距時，噴嘴結(jié)構(gòu)對換熱的影響更加明顯。這一發(fā)現(xiàn)得到了Garimella等的支持，他們還指出噴嘴的發(fā)展長度（噴嘴厚度與噴嘴直徑比/）也是影響液體射流傳熱的主要因素，較短的發(fā)展長度（/＜1）在滯止點(diǎn)產(chǎn)生的傳熱系數(shù)最高。

噴嘴的孔型會影響流體的射流速度和湍流特性，進(jìn)而影響沖擊表面的換熱特性，以上文獻(xiàn)總結(jié)了陣列射流沖擊中常用的噴嘴孔型對換熱的影響。目前學(xué)者比較認(rèn)可圓形尖邊噴嘴在陣列射流沖擊中的換熱能力，實(shí)驗(yàn)研究表明，使用圓形尖邊噴嘴射流時流體中線速度較高，流體的湍流特性更強(qiáng)，對換熱影響最為顯著。研究影響噴嘴性能的相關(guān)實(shí)驗(yàn)雖然很重要，但是噴嘴性能的仿真模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還有一定差距，因此需不斷完善射流沖擊過程中影響噴嘴性能的理論依據(jù)，深入研究流體流經(jīng)噴嘴時的傳熱機(jī)理，從而依據(jù)可靠的理論基礎(chǔ)不斷探索新孔型的噴嘴。

2.2 噴嘴的排列方式

液體陣列射流沖擊中，噴嘴的排列方式?jīng)Q定了射流流體間的相互作用，這種相互作用對沖擊表面上的換熱率分布起著重要的作用。噴嘴排列方式不同，每個噴嘴的相鄰噴嘴數(shù)目和每個噴嘴的有效沖擊面積都有所不同，這對沖擊表面上的流體流動特性有著重要影響。

液體陣列射流沖擊中，最常見的三種噴嘴排列方式是直線形排列、六邊形排列和交錯排列。在排列方式確定的情況下，噴嘴-沖擊表面間距和噴嘴間距對換熱性能起著重要作用。在不同的噴嘴排列方式中，噴嘴-沖擊表面間距和噴嘴間距的影響所占主導(dǎo)地位不同。噴嘴-沖擊表面間距和噴嘴間距對直線形和六邊形陣列射流換熱效果影響很大，Geers 等在實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，在直線形和六邊形陣列的射流沖擊中，射流的相互作用與噴嘴-沖擊表面間距和噴嘴間距有依賴關(guān)系，如圖9所示。他們在實(shí)驗(yàn)研究中使用液晶熱像技術(shù)，在雷諾數(shù)為5000～20000 時，對沖擊表面上的溫度分布進(jìn)行了測量，噴嘴-沖擊表面間距分別為3 倍噴嘴直徑和10倍噴嘴直徑，噴嘴間距分別為2倍射流孔徑和6倍噴嘴直徑。沖擊表面上的努塞爾數(shù)分布表明，射流沖擊點(diǎn)處的傳熱最強(qiáng)，隨著噴嘴-沖擊表面間距增加，沖擊表面射流速度降低，從而導(dǎo)致努塞爾數(shù)減小，噴嘴間距的增大減少了有效沖擊面積，換熱效果被減弱。

圖9 直線形排列和六角形排列[49]

為了分析射流雷諾數(shù)對射流沖擊冷卻效果的影響，韓宇萌等對不同流動取向的直線形排列射流沖擊進(jìn)行了三維模擬，數(shù)值研究了陣列射流沖擊冷卻的換熱特性。沖擊射流板上有12 排噴嘴，每排4個，共48個噴嘴，研究了不同的射流雷諾數(shù)情況下三種不同的流出方向?qū)_擊射流平均努塞爾數(shù)分布的影響，如圖10所示。數(shù)值模擬結(jié)果表明，在研究范圍內(nèi)，隨著射流雷諾數(shù)的增大，努塞爾數(shù)增大，換熱效果增強(qiáng)。

圖10 計算模型及3種不同的流動取向圖[50]

噴嘴-沖擊表面間距對交錯陣列的影響最大，研究者San 和Lai探究了噴嘴-沖擊表面間距對交錯排列的陣列射流在雷諾數(shù)為10000～30000時的傳熱。實(shí)驗(yàn)觀察到，隨著噴嘴-沖擊表面間距的減小，沖擊表面的“泉涌”現(xiàn)象增強(qiáng)，“泉涌”產(chǎn)生的上沖流會將流體帶回到射流中心，從而影響傳熱。結(jié)果表明，噴嘴-沖擊表面間距在約為8 倍噴嘴直徑的情況下，滯止點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)最佳傳熱。噴嘴-沖擊表面間距與噴嘴直徑的比值（/）和噴嘴間距與噴嘴直徑的比值（/），這種量綱為1參數(shù)同樣會影響沖擊表面的最終傳熱效果。孫潤鵬等數(shù)值模擬了射流沖擊冷卻傳熱特性的影響因素，分析了噴嘴間距和噴嘴排列方式對射流沖擊傳熱的影響。研究結(jié)果表明，噴嘴間距對努塞爾數(shù)的影響和噴嘴排列方式有關(guān)，當(dāng)/＜2時，噴嘴直線形排列方式的傳熱效果優(yōu)于交錯排列方式；當(dāng)/＞3 時，噴嘴交錯排列傳熱效果優(yōu)于直線形排列方式。Xing和Weigand利用瞬態(tài)液晶技術(shù)，在高雷諾數(shù)沖擊板上，比較了直線形射流沖擊陣列中努塞爾數(shù)的變化。結(jié)果表明，噴嘴-沖擊表面間距與射流直徑的最佳比值為/=3，在這個比值下傳熱性能最好。

San 和Chen研究了等邊交錯排列的陣列射流中，噴嘴-沖擊表面間距與噴嘴直徑之比（/）和噴嘴間距與噴嘴直徑之比（/）分別在0.5～3.0 和2.0～8.0之間，雷諾數(shù)為20000時對陣列射流努塞爾數(shù)分布的影響。在較小的/和/值（/=0.5 和/=2.0）下，沖擊表面上中間射流和相鄰射流之間明顯存在一個局部最大的努塞爾數(shù)，這是由于射流相互作用造成的，射流相互作用隨/和/的增加而減小。在較大的/和較小的/值（/≥2.0和/=2.0）情況下，射流在沖擊前的相互干擾導(dǎo)致了換熱的減少，但在射流陣列直接覆蓋的區(qū)域內(nèi)，努塞爾數(shù)分布均勻。當(dāng)/值（/≥6.0）較大時，無論/值在0.5～3.0范圍內(nèi)如何變化，每個射流在沖擊板上都有一個獨(dú)立的冷卻區(qū)域。結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)給定參數(shù)范圍內(nèi)，陣列射流中/是影響傳熱不均勻性的主要因素，/是次要因素，在陣列射流直接覆蓋的區(qū)域，最大努塞爾數(shù)隨/近似線性增加。

在陣列射流沖擊冷卻中，有時只知道平均換熱系數(shù)的變化規(guī)律仍是不夠的，還必須提供可靠的局部換熱系數(shù)的數(shù)據(jù)，特別是對于交錯排列的陣列射流沖擊，影響局部對流換熱系數(shù)的因素較為復(fù)雜。謝浩和張靖周采用數(shù)值模擬方法對陣列射流沖擊冷卻換熱系數(shù)進(jìn)行了研究，運(yùn)用Fluent計算軟件在噴嘴交錯排列的方式下，探討了噴嘴-沖擊表面間距與噴嘴直徑的比值/、噴嘴間距、射流雷諾數(shù)的變化對沖擊表面冷卻流動傳熱特性的影響規(guī)律。圖11 為計算模型示意圖，通過改變/和設(shè)計了9個物理模型，結(jié)果表明，在文中研究的參數(shù)范圍內(nèi)，減小噴嘴間距、減小沖擊間距和增大射流雷諾數(shù)，都可以有效地增強(qiáng)對流換熱效果。

圖11 計算模型示意圖[55]

實(shí)驗(yàn)人員還研究了其他類型的噴嘴布置方式對換熱效果的影響，Chiu等采用液晶測溫技術(shù)，在雷諾數(shù)為2000～4000、噴嘴-沖擊表面間距為1.5～4.5 時，對射流板上四種當(dāng)量直徑相同而長徑比不同的橢圓形噴嘴和圓形噴嘴，使用側(cè)邊型、中間型和交錯型三種噴嘴布置方式（如圖12所示），分別進(jìn)行了測試。結(jié)果表明，圓形噴嘴射流效果比橢圓形噴嘴效果好，沖擊表面努塞爾數(shù)隨射流雷諾數(shù)的增加而增加，在噴嘴-沖擊表面間距較小的情況下傳熱效果最好，減小噴嘴間距可以增加換熱。

圖12 側(cè)邊型、中間型和交錯型三種噴嘴布置方式[56]

Su 和Chang的實(shí)驗(yàn)在射流孔板上采用了兩種不同直徑的噴嘴，以三種不同方式排列的3×3射流板，如圖13 所示，在指定的冷卻劑流量下，分別研究了在不同孔間距和雷諾數(shù)條件下射流沖擊陣列的傳熱特性。通過比較三種陣列射流沖擊表面的傳熱分布，揭示了在不同直徑噴嘴的排列下孔間距和陣列結(jié)構(gòu)的最佳組合，得到了更高的平均努塞爾數(shù)。

圖13 三種不同射流孔的排列方式[57]

陣列射流沖擊中噴嘴的排列方式不同，會直接影響射流流體的相互作用和有效沖擊面積，目前關(guān)于直線形排列、六邊形排列和交錯排列，最常見的三種噴嘴排列方式已經(jīng)有了深入的研究，并總結(jié)了主要影響因素。應(yīng)對不同的冷卻需求，使用不同的排列方式，并根據(jù)實(shí)際情況，結(jié)合理論經(jīng)驗(yàn)設(shè)計新的排列方式，是主要研究方向。

2.3 沖擊表面結(jié)構(gòu)

液體陣列射流沖擊中的沖擊表面結(jié)構(gòu)分為光滑沖擊表面和粗糙沖擊表面兩種主要類型，為了進(jìn)一步強(qiáng)化射流沖擊過程中的傳熱，更多的研究者對不同的粗糙表面進(jìn)行了研究，并總結(jié)了不同沖擊表面在換熱過程中的傳熱特性。

2.3.1 肋狀、針翅、凹凸沖擊表面

液體陣列射流沖擊中，肋狀沖擊表面、針翅沖擊表面和凹凸沖擊表面是最常見的三種粗糙表面，沖擊表面的粗糙結(jié)構(gòu)不僅能擴(kuò)大換熱面積，還會使沖擊流體形成湍流進(jìn)而提升傳熱效果。如圖14 所示為小三角肋狀粗糙表面，Yan 和Mei、Hsieh等、Jia 等和Chung 等研究了此種肋狀沖擊表面對傳熱效果的提升，研究表明，粗糙表面的對流換熱系數(shù)比同面積下光滑表面增加20%～30%。

圖14 小三角肋狀粗糙表面

肋狀沖擊表面的傳熱效果主要受肋片角度、噴嘴與肋片相對位置和噴嘴-沖擊表面間距的影響。肋片的角度會影響粗糙表面的傳熱能力，Yan 等利用一維瞬態(tài)液晶方案研究了肋狀沖擊表面上的射流沖擊傳熱，結(jié)果表明，肋角為45°時達(dá)到最佳傳熱性能。噴嘴與沖擊表面上肋片的相對位置也會對射流沖擊換熱產(chǎn)生很大的影響，Chang 等在雷諾數(shù)為7000～20000 時，對肋狀沖擊表面的射流沖擊換熱進(jìn)行了一系列研究，發(fā)現(xiàn)最佳的位置分布是噴嘴對應(yīng)沖擊板上的肋間位置，可以使流動特性和傳熱特性得到最大限度的發(fā)揮。噴嘴-沖擊表面間距同樣會影響換熱特性，Xing等采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值的方法，對射流沖擊微肋粗糙表面的換熱特性進(jìn)行了研究，當(dāng)噴嘴-沖擊表面間距比為3 時，微肋粗糙表面的傳熱系數(shù)最高。

陣列射流沖擊中還通常使用針翅表面來增加表面粗糙度，如圖15 所示，針翅表面不僅擴(kuò)大了傳熱面積，而且當(dāng)液體射流沖擊到針翅表面時會形成馬蹄渦，進(jìn)一步促進(jìn)換熱。下面一些文獻(xiàn)的研究結(jié)果表明了針翅沖擊表面對換熱有增強(qiáng)效果。Andrews等對矩形針翅表面的射流沖擊傳熱進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，針翅的存在顯著改善了傳熱。Hong等在有針翅沖擊表面的射流沖擊系統(tǒng)中測量了熱量傳遞，研究發(fā)現(xiàn)，針翅表面可保護(hù)射流不被干擾，增加沖擊區(qū)域的局部熱量傳遞。Ndao 等和Brakmann等對針翅沖擊表面的射流沖擊進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，研究表明，由于換熱面積的增加和工質(zhì)流動混合的增強(qiáng)，射流沖擊傳熱得到增加，與光滑表面相比換熱強(qiáng)化可達(dá)200%。

圖15 針翅沖擊表面

凹凸沖擊表面結(jié)構(gòu)的存在也加強(qiáng)了射流沖擊傳熱，如圖16所示，Chang等對陣列射流沖擊在光滑壁面和凹凸表面上進(jìn)行了詳細(xì)的傳熱測量，研究結(jié)果證明了這一點(diǎn)。由于凹凸沖擊表面上的流體流動破裂致使沖擊核心被破壞，射流沖擊換熱的效果降低，但是凹凸表面使流體產(chǎn)生的局部湍流、流動分離和流體再次附著有利于強(qiáng)化傳熱，總的效果是增強(qiáng)了射流沖擊換熱。Ekkad 等研究了凹表面結(jié)構(gòu)對換熱的影響，當(dāng)雷諾數(shù)范圍為4800～14800時，凹表面的存在使沖擊流體產(chǎn)生局部湍流、流動分離和再附著，進(jìn)而增強(qiáng)了沖擊表面的傳熱系數(shù)。噴嘴-沖擊表面間距對凹凸表面的換熱效果有很大影響，Kanokjaruvijit等在雷諾數(shù)為11500時，對8×8的交錯陣列射流沖擊凹凸表面進(jìn)行了研究，噴嘴-沖擊表面間距調(diào)整為2 倍、4 倍和8 倍噴嘴直徑，發(fā)現(xiàn)噴嘴-沖擊表面間距與噴嘴直徑的比值為2時，射流沖擊可促進(jìn)凹表面內(nèi)部流體的循環(huán)作用，從而加劇換熱。

圖16 凹凸表面實(shí)物圖[73]

射流沖擊的換熱能力與處理沖擊壁面后流體的流動方式有很大關(guān)系，當(dāng)射流速度較大時，射流流體沖擊壁面后被迫在沖擊表面上形成橫流，橫流較強(qiáng)時會將射流束沖偏，從而減弱射流沖擊的作用，影響換熱性能。肋狀沖擊表面、針翅沖擊表面和凹凸沖擊表面三種常見粗糙表面都可以改善橫流對換熱能力的不利影響，提升沖擊流體的換熱性能，但三者之間的換熱效果是存在區(qū)別的。在肋狀沖擊表面上，相鄰肋片之間會提供一個廣泛開放的區(qū)域，沖擊射流在與壁面換熱后，可以快速有序地離開壁面，減少橫流的產(chǎn)生。當(dāng)射流流體沖擊針翅表面時，針翅的存在會增強(qiáng)工質(zhì)的流動混合能力，形成馬蹄渦會進(jìn)一步促進(jìn)換熱，阻止橫流產(chǎn)生。流體沖擊到凹凸表面上時，在壁面上會產(chǎn)生局部湍流、流動分離和流體再次附著等一系列變化，這些變化有助于提高凹凸表面?zhèn)鳠岬木鶆蛐裕M(jìn)而強(qiáng)化傳熱。

2.3.2 交錯型肋表面與微型肋片表面

新型的粗糙表面受到越來越多研究者關(guān)注，交錯肋表面和微肋表面作為新型粗糙表面，可以有效提高射流的傳熱能力，研究人員做了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究，比較了不同肋片對射流沖擊換熱的增強(qiáng)效果。Caliskan 等研究了陣列射流沖擊在光滑、V形肋和會聚-發(fā)散形肋表面上的傳熱值（如圖17、圖18 所示），實(shí)驗(yàn)過程中雷諾數(shù)在2000～10000 之間，噴嘴直徑與肋高之比在0.6～1.2之間，噴嘴-沖擊表面間距在2～12 之間，并用熱紅外攝像機(jī)測量了沖擊表面上努塞爾數(shù)的分布。V 形肋表面和會聚-發(fā)散形肋表面與光滑表面相比，能提供更高的傳熱系數(shù)，傳熱效果明顯增強(qiáng)。而V形肋表面相比會聚-發(fā)散形肋表面擁有較高的平均換熱率，從局部傳熱分布上可以看出，在V形肋沖擊表面上有渦流的形成，使得流體可以更好地混合，從而提高傳熱效果，V形肋板的平均努塞爾數(shù)值比光滑表面增加了4%～26.6%。

圖17 V形肋、會聚-發(fā)散肋和射流沖擊位置[74]

圖18 Re為2000時的局部努塞爾數(shù)分布[74]

研究者Rao等利用微W形肋沖擊表面來改善射流沖擊的傳熱性能，對帶有微W 形肋的表面和平板表面在多次射流沖擊下的傳熱特性進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究，在15000～30000 的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，獲得了微W 形肋板和平板的局部傳熱分布。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與射流沖擊平板相比，微W 形肋沖擊表面的沖擊換熱強(qiáng)化效果增加了9.6%。Xing等通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值方法研究了交錯肋表面和微型肋表面的影響，兩種肋表面的傳熱增強(qiáng)率分別為7.5%和9.6%。

2.3.3 半光滑半粗糙表面

關(guān)于沖擊表面結(jié)構(gòu)的研究，許多研究者的目標(biāo)都集中在粗糙度均勻分布的表面上，見圖19。但是粗糙結(jié)構(gòu)安排不當(dāng)可能會阻礙射流，完全粗糙的表面可能不是最佳的強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)，于是一些研究者對半光滑半粗糙表面（沖擊表面一半為光滑表面，一半為粗糙表面）進(jìn)行了研究，如圖20所示。Lo等利用瞬態(tài)液晶技術(shù)測量了目標(biāo)表面的詳細(xì)傳熱，在實(shí)驗(yàn)中，噴嘴間距與噴嘴直徑比為4，噴嘴-沖擊表面間距與噴嘴直徑之比為3，雷諾數(shù)范圍為2500～7700，深入了解了半光滑半粗糙表面上的沖擊傳熱現(xiàn)象。通過創(chuàng)建與射流孔對齊的矩形凹槽，使目標(biāo)表面變得粗糙，對于半光滑半粗糙的表面，目標(biāo)表面粗糙程度的突變破壞了流體的流動發(fā)展，導(dǎo)致流動混合加劇。與傳統(tǒng)的全粗糙化表面相比，半粗糙表面的傳熱效果更好，縱向凹槽（開槽區(qū)與出口流動方向平行）的傳熱效果提高了50%以上。部分粗糙表面的想法可以進(jìn)一步推廣到其他具有不同粗糙結(jié)構(gòu)的射流沖擊表面，提高陣列射流沖擊的換熱率。

圖19 粗糙度均勻分布的表面[78]

圖20 半光滑半粗糙表面[78]

沖擊表面結(jié)構(gòu)的研究主要集中在表面粗糙元素的選擇和粗糙元素的分布上，將不同粗糙元素以不同的布置方式組合會產(chǎn)生不同的換熱效果，根據(jù)流體流動規(guī)律設(shè)計不同的粗糙元素與布置方式，是解決不同的冷卻需求的最佳方法。關(guān)于沖擊表面結(jié)構(gòu)的仿真模擬研究還很少，將現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真相結(jié)合，利用仿真模擬不斷摸索新的沖擊表面結(jié)構(gòu)，應(yīng)該作為新的研究目標(biāo)。

3 陣列射流的新型射流方式

研究者除了對正向射流沖擊進(jìn)行研究外，對其他射流方式的射流沖擊冷卻也進(jìn)行了探索。研究者發(fā)現(xiàn)傾斜射流沖擊結(jié)構(gòu)對陣列射流的換熱有提升作用，和正向射流沖擊時射流束與沖擊表面相垂直不同，傾斜射流中噴嘴噴射的流束與沖擊表面存在一定的角度，被稱為射流角度。射流角度是影響射流工質(zhì)和沖擊表面之間的對流換熱系數(shù)的重要因素，因?yàn)楦淖兩淞鹘嵌炔粌H會改變射流工質(zhì)的分布形態(tài)，還會影響射流工質(zhì)和沖擊表面間對流換熱系數(shù)的大小。一些學(xué)者研究了傾斜射流沖擊換熱表面的傳熱分布和流動特性，Perry指出了傳熱特性與入射角的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)換熱關(guān)聯(lián)式中的比例因子取決于入射角度，并指出努塞爾數(shù)隨著入射角的增大而減小。陳欣欣等應(yīng)用計算流體動力學(xué)軟件Fluent，對完全充分發(fā)展的淹沒射流進(jìn)行了數(shù)值分析，研究了不同射流角度（15°≤≤90°）條件下射流流場的結(jié)構(gòu)和速度分布，結(jié)果表明，隨著射流角度的減小，滯止點(diǎn)逐漸遠(yuǎn)離沖擊點(diǎn)，當(dāng)＜30°時，滯止點(diǎn)消失。Parida 等采用熱致變色液晶試驗(yàn)臺對不同射流角度下的射流沖擊進(jìn)行了研究，將圓形射流陣列的傾斜沖擊結(jié)構(gòu)與正向垂直沖擊結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較，得到了更高的平均努塞爾數(shù)。李超等研究了射流角度分別為30°、45°、60°、75°和90°時射流角度對對流換熱系數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)射流以一定角度沖擊壁面時，水流不再沿射流軸線對稱分布，下游處的流量隨射流角度的減小而增加，上游處的流量隨射流角度的減小而減小，如圖21所示。

圖21 改變射流角度時水流的分布示意圖[42]

在改變射流角度后，速度分布由沿射流軸線對稱分布的形式變?yōu)榉菍ΨQ分布形式，隨著射流角度的減小，射流中心下游的速度逐漸增大，上游的速度逐漸減小，滯止區(qū)區(qū)域也隨之減小。這是因?yàn)樯淞鹘嵌葴p小后，射流初始速度的水平分速度增大，在到達(dá)滯止點(diǎn)后，水流沿壁面下游流走，而沖擊時形成的滯止區(qū)面積也在減小，最終下游流量和水流速度逐漸增大，上游的流量和水流速度逐漸減小。在改變射流角度時，沿著壁面表面的對流換熱系數(shù)的分布與水流速度分布趨勢相同。這說明射流工質(zhì)在壁面的速度與射流和壁面間的對流換熱性能緊密相關(guān)。射流角度由90°減小到30°的過程中，在射流沖擊中心的上游方向，射流工質(zhì)與壁面之間的對流換熱系數(shù)逐漸減小，而在射流沖擊中心下游方向，射流工質(zhì)與壁面之間的對流換熱系數(shù)卻逐漸增大，沿壁面方向?qū)α鲹Q熱系數(shù)的分布由對稱分布形式變成了非對稱分布形式。當(dāng)射流角度為90°、75°、60°、45°和30°時，射流沖擊中心的對流換熱系數(shù)的峰值逐漸變大。對流換熱系數(shù)隨著射流角度的減小而增大，這是因?yàn)殡S著射流角度的減小，射流沖擊中心下游的邊界層速度增大，使得在射流沖擊中心下游射流工質(zhì)和壁面之間的對流邊界層變薄，對流換熱系數(shù)增大。當(dāng)射流角度小于30°后，由于沖擊壓力隨之減小，邊界層速度增大緩慢，使得在熱邊界層增大和對流邊界層基本不變的共同作用下，射流沖擊中心下游的對流換熱系數(shù)不再增大。

傾斜射流沖擊隨著射流角度的減小，沿壁面方向?qū)α鲹Q熱系數(shù)的分布由對稱分布形式變成了非對稱分布形式，在射流沖擊中心的上游方向，射流工質(zhì)與壁面之間的對流換熱系數(shù)逐漸減小，而在射流沖擊中心下游方向，射流工質(zhì)與壁面之間的對流換熱系數(shù)卻逐漸增大。與正向垂直射流沖擊相比，傾斜射流下游換熱系數(shù)得到明顯提升，但存在沖擊表面對流換熱系數(shù)分布不平均和溫度分布不均勻的問題，這是需要進(jìn)一步研究解決的問題。

液體陣列射流從噴嘴到?jīng)_擊表面，射流流體分為旋流和非旋流，在非旋流射流沖擊過程中，射流的換熱效果受沖擊表面上產(chǎn)生的橫流影響較大，在壁面滯止區(qū)附近發(fā)生的傳熱會因橫流的影響而削弱；而在旋流射流沖擊過程中，沖擊表面的流體會形成強(qiáng)烈的再循環(huán)，每個滯止點(diǎn)的周圍都會產(chǎn)生強(qiáng)烈的湍流，當(dāng)它們合并在一起時，在沖擊表面的相鄰射流之間會發(fā)生強(qiáng)傳熱，而且不會受到橫流的明顯影響，使射流沖擊的鄰近區(qū)域快速冷卻，傳熱效果得到增強(qiáng)。由于旋流具有強(qiáng)混合能力，當(dāng)射流流體以旋流狀態(tài)沖擊換熱表面時，可以保證流體更好地混合并實(shí)現(xiàn)更高的表面溫度的均勻性，如圖22所示。

圖22 旋流結(jié)構(gòu)圖[82]

旋流射流通常是通過幾何手段（噴嘴內(nèi)插入扭曲帶或徑向葉片）或通過軸向和切向流動混合的方式產(chǎn)生的，與非旋流射流沖擊相似，旋流射流的流場也具有三個區(qū)域，即自由射流區(qū)、滯止區(qū)和壁流區(qū)。然而，旋流射流在壁流區(qū)會表現(xiàn)出復(fù)雜的流動特征，如旋渦破裂、沖擊面附近的流動分離或再循環(huán)、射流不穩(wěn)定性等，旋渦流的這些獨(dú)特的流動特性會對沖擊射流的流動和傳熱產(chǎn)生重大影響?，F(xiàn)有的旋流射流沖擊研究主要集中在單旋流射流沖擊、不同旋流強(qiáng)度、噴嘴-沖擊板距離和雷諾數(shù)對射流性能的影響。實(shí)驗(yàn)主要采用通過物理幾何方法生成的渦流和數(shù)值模擬的方法進(jìn)行研究，表明單旋流射流具有高效的換熱特性。在陣列射流中，非旋流在沖擊壁面時會出現(xiàn)射流流體向上流動的“泉涌”現(xiàn)象，伴隨著流體的向上流動，一部分流體會與相鄰的射流相結(jié)合，重新沖擊壁面；另一部分流體在壁面流動形成橫流。而在旋流中“泉涌”現(xiàn)象并不明顯，旋流沖擊壁面之后射流工質(zhì)會在沖擊表面形成再循環(huán)，旋流的再循環(huán)大小受相鄰射流間的距離影響，合適的相鄰距離會使射流工質(zhì)在壁面更好地混合，形成強(qiáng)烈的再循環(huán)流區(qū)，提高換熱性能并使壁面?zhèn)鳠岣泳鶆?。但對多旋流射流的研究文獻(xiàn)有限，旋流效應(yīng)可能是進(jìn)一步提高陣列射流傳熱特性的潛在方法。

陣列射流中的傾斜射流和旋流射流是效果較為突出的新型射流方式，在傾斜射流沖擊中對流換熱系數(shù)沿壁面呈非對稱式分布，在射流沖擊中心下游方向，射流與壁面之間的對流換熱系數(shù)逐漸增大，與正向垂直射流沖擊相比，在一定的角度范圍內(nèi)，傾斜射流下游換熱系數(shù)得到明顯提升，可用于對熱量分布不均勻的表面進(jìn)行散熱。在旋流射流沖擊過程中，射流沖擊的區(qū)域會被快速冷卻，因?yàn)樾骶哂袕?qiáng)混合能力，會在沖擊表面形成強(qiáng)烈的再循環(huán)，帶走大量的熱量，并且可以保證流體更好地混合，更好地實(shí)現(xiàn)沖擊表面溫度的均勻性，是值得研究的射流新方向。

4 結(jié)語

液體陣列射流沖擊是具有高散熱能力的冷卻方法，許多研究都集中在降低射流沖擊過程中射流的相互影響，提高沖擊的換熱率和平均努塞爾數(shù)。在過去的幾十年間，國內(nèi)外學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，探討了不同液體換熱工質(zhì)及三種傳熱結(jié)構(gòu)（噴嘴孔型、噴嘴排列方式和沖擊表面結(jié)構(gòu)）對陣列射流換熱性能的影響規(guī)律，進(jìn)而提高陣列射流換熱性能。陣列射流沖擊冷卻的應(yīng)用前景十分廣泛，為了探尋更好的陣列射流沖擊，需要進(jìn)行更多的研究嘗試。

（1）換熱工質(zhì)作為陣列射流沖擊中的重要導(dǎo)熱介質(zhì)，對換熱效果有著重要影響，面對未來嚴(yán)峻復(fù)雜的熱流環(huán)境，把更多的新型換熱工質(zhì)應(yīng)用到射流沖擊中，將新型工質(zhì)與液體陣列射流沖擊相結(jié)合，是提高換熱效率的新思路。

（2）噴嘴孔型、噴嘴的排列方式和沖擊表面結(jié)構(gòu)，作為對換熱性能影響最大的三種結(jié)構(gòu)參數(shù)，需要進(jìn)一步提高其換熱特性。噴嘴的孔型會影響流體的射流速度和湍流特性，進(jìn)而影響沖擊表面的換熱特性，應(yīng)不斷完善射流沖擊過程中影響噴嘴性能的理論依據(jù)，進(jìn)而深入研究流體流經(jīng)噴嘴時的傳熱機(jī)理，從而依據(jù)可靠的理論基礎(chǔ)不斷探索新孔型的噴嘴；噴嘴的排列方式不同，會直接影響射流流體的相互作用和有效沖擊面積，應(yīng)對不同的冷卻需求，使用不同的排列方式，并根據(jù)實(shí)際情況結(jié)合理論經(jīng)驗(yàn)設(shè)計出新的排列方式，是主要研究方向；沖擊表面結(jié)構(gòu)上不同粗糙元素以不同的布置方式組合會產(chǎn)生不同的換熱效果，根據(jù)流體流動規(guī)律設(shè)計不同的粗糙元素與布置方式，并將現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真相結(jié)合，進(jìn)而利用仿真模擬不斷摸索新的沖擊表面結(jié)構(gòu)，應(yīng)該作為新的研究目標(biāo)。

（3）新型的射流方式應(yīng)用到陣列射流中會大大提高換熱效果，新型陣列射流的出現(xiàn)可解決傳統(tǒng)陣列射流沖擊中常遇到的問題，還可應(yīng)對新出現(xiàn)的散熱狀況。如在旋流射流沖擊過程中，沖擊表面的流體會形成強(qiáng)烈的再循環(huán)，不會像傳統(tǒng)的非旋流射流沖擊那樣，在壁面滯止區(qū)附近受橫流的影響而削弱傳熱。還可利用傾斜射流解決熱量分布不均勻的表面的散熱問題，利用旋流射流來處理沖擊表面溫度需分布更加均勻的問題，這些換熱特性會解決不同狀況下新的散熱狀況。不斷嘗試新結(jié)構(gòu)，改變射流流體的流動特性，從而促進(jìn)沖擊表面的換熱，運(yùn)用新型射流沖擊冷卻解決相對應(yīng)的換熱問題，是未來的發(fā)展方向，應(yīng)該得到進(jìn)一步的推進(jìn)。