低雷諾數(shù)下橫流-射流中剪切渦的試驗研究

張保雷,上官燕琴,王嫻,*,陳剛,李躍明

1.西安交通大學(xué) 航天航空學(xué)院 機械結(jié)構(gòu)強度與振動國家重點實驗室,西安 710049

2.西安交通大學(xué) 航天航空學(xué)院 陜西省先進飛行器服役環(huán)境與控制重點實驗室,西安 710049

低雷諾數(shù)下橫流-射流中剪切渦的試驗研究

張保雷1,2,上官燕琴1,2,王嫻1,2,*,陳剛1,2,李躍明1,2

1.西安交通大學(xué) 航天航空學(xué)院 機械結(jié)構(gòu)強度與振動國家重點實驗室,西安 710049

2.西安交通大學(xué) 航天航空學(xué)院 陜西省先進飛行器服役環(huán)境與控制重點實驗室,西安 710049

為深入分析橫流-射流(JICF)的流動特性及其中的復(fù)雜渦系結(jié)構(gòu),從流動機理上研究燃機葉片氣膜冷卻,揭示高溫燃氣流與冷卻流的摻混機理,本文對橫向流中單孔射流所形成的剪切渦開展了試驗研究。主要研究了速度比、雷諾數(shù)及射流角對JICF所形成剪切渦的影響。結(jié)果表明:速度比、雷諾數(shù)以及射流角會改變主流與射流之間的摻混程度,從而改變射流軌跡的曲率、高度及垂向滲透能力,最終改變剪切渦的特性;迎風(fēng)渦與背風(fēng)渦分別是由射流邊界層渦與主流邊界層渦形成的,當主流邊界層渦強度大于射流邊界層渦時,背風(fēng)渦是流場的主導(dǎo)結(jié)構(gòu),反之,迎風(fēng)渦將成為流場的主要渦系結(jié)構(gòu)。

橫流-射流;速度比;雷諾數(shù);射流角度;剪切渦

當流體從縫隙或者孔中以一定角度射出,且與外界環(huán)境中不同流向的流體相互作用時,便產(chǎn)生了橫向流中的射流(Jet In Cross-Flow,JICF)問題,如圖1所示。JICF在工程中具有重要應(yīng)用價值,如航空發(fā)動機和地面燃機的透平葉片采用的氣膜冷卻,冷卻氣體從氣膜孔射出,與高溫主流相互作用,在氣膜孔附近及下游會產(chǎn)生非常復(fù)雜的三維非定常流動結(jié)構(gòu)[1]。氣膜冷卻效果難以準確預(yù)測的固有因素是葉片表面的復(fù)雜流場[2],其優(yōu)化設(shè)計一直是工業(yè)界的難題之一。對高溫燃氣流與冷卻流的摻混機理研究有賴于對JICF的深入研究。又如,鍋爐燃燒室中,控制燃燒必須要調(diào)節(jié)燃油和空氣的摻混,最終也歸結(jié)為JICF問題。而諸多國防尖端技術(shù),如沖壓發(fā)動機的性能分析,火箭推進器的設(shè)計以及垂直起降飛行器(V/STOL)懸停時的氣動特性分析,這些問題的優(yōu)化、解決都依賴于對射流和主流間相互作用及摻混規(guī)律的深入了解。JICF作為流體力學(xué)中一種基本、典型的流動,涉及空氣動力學(xué)、環(huán)境學(xué)、燃燒學(xué)、熱力學(xué)等。同時,流動過程中大尺度擬序結(jié)構(gòu)的形成、發(fā)展、卷入、破裂等動力學(xué)演化過程對擬序結(jié)構(gòu)理論、渦動力學(xué)和非線性動力學(xué)的研究具有重要理論意義。圖2為Fric和Roshko[3]提出的JICF典型渦結(jié)構(gòu)概念圖。

目前關(guān)于JICF的研究十分廣泛。典型如:Gutmark等[4]利用二維PIV(Particle Image Velocimetry)技術(shù)試驗研究了吹風(fēng)比為3時,橫流-射流中單孔、串聯(lián)雙孔射流的動力學(xué)性質(zhì),研究的流動特性包括射流軌跡、滲透深度、射流前后緣的擴展及尺寸大小。Salewski等[5]利用大渦模擬(LES)及試驗方法研究了橫流-射流中的擬序結(jié)構(gòu)和摻混特性,對比了圓形、橢圓形、方形射流孔的平均速度場及湍流統(tǒng)計量。Kelso等[6]通過流動可視化技術(shù)與熱線風(fēng)速儀研究了速度比為2～6橫向流中圓孔射流的流動結(jié)構(gòu),包括馬蹄渦、剪切渦和尾跡渦,并發(fā)現(xiàn)了在不同速度比下,尾跡渦在不同雷諾數(shù)下其不穩(wěn)定性機理也不相同。Lim等[7]試驗研究了JICF的流動結(jié)構(gòu),分析了渦環(huán)的變形及折疊,指出渦環(huán)的變形沒有完全顯示出實際的流動。Mahesh[8]總結(jié)了有關(guān)JICF的相關(guān)研究,并明確指出在低吹風(fēng)比和低雷諾數(shù)下JICF的摻混規(guī)律與高吹風(fēng)比、高雷諾數(shù)下大不相同。Sau和Mahesh[9]采用直接數(shù)值模擬(DNS)的方法對JICF中渦環(huán)的動力學(xué)特性及輸運、摻混特性進行了研究。關(guān)暉和吳錘結(jié)[10]利用LES對JICF進行了數(shù)值研究,發(fā)現(xiàn)JICF中占據(jù)主導(dǎo)地位的是渦環(huán)的拉伸、扭曲。郭婷婷等[11]研究了射流角度對射流軌跡的彎曲程度及湍動能的影響,但其并未對渦系結(jié)構(gòu)進行研究。本課題組基于GPU并行技術(shù),利用混合熱格子法對平板單孔射流、氣膜冷卻冷熱流摻混機理進行了大規(guī)模直接數(shù)值模擬與大渦模擬研究[12-16],使用近2億計算網(wǎng)格,捕捉到了精細的渦系結(jié)構(gòu),分析了渦系間的相互作用及其對氣膜冷卻效率的影響。雖然JICF的相關(guān)研究十分廣泛[17-21],但對于JICF中典型渦系結(jié)構(gòu)(剪切渦、馬蹄渦、尾跡渦及反對稱渦),大多數(shù)研究者只關(guān)注主導(dǎo)橫向主流與射流摻混過程中的反對稱渦(CVP)[22-25],對剪切渦的研究較少。然而,剪切渦也在摻混過程中承擔(dān)了重要角色,其特性對射流的滲透能力有重要影響,同時,也會影響反對稱渦的生成。與此同時,目前對于低雷諾數(shù)下的JICF相關(guān)研究也較少。Gopalan等[26]做了速度比為0.5～2.5的研究,發(fā)現(xiàn)以速度比2為界限,產(chǎn)生了不同的流場特征,其雷諾數(shù)高達1.9×104。Cambonie等[27]做了速度比為0.5～3.0下的試驗研究,雷諾數(shù)范圍為220～660,但是該文獻主要研究了流場中的反向旋轉(zhuǎn)渦對,并沒有對剪切渦的形成、發(fā)展進行相應(yīng)的研究分析。

鑒于低雷諾數(shù)下JICF蘊含著豐富的物理信息,且目前此方面已有較多數(shù)值模擬結(jié)果,相關(guān)試驗研究很少。因此,本文設(shè)計、搭建試驗平臺,進行了低雷諾數(shù)下的平板單孔JICF試驗,并重點分析了不同流動參數(shù)對剪切渦特性的影響。試驗清晰地捕捉到了渦系結(jié)構(gòu)的發(fā)展過程,結(jié)果表明速度比、雷諾數(shù)以及射流角會改變主流與射流之間的摻混程度,速度比對流動結(jié)構(gòu)影響很大,雷諾數(shù)與射流角對剪切渦的發(fā)展特性及射流軌跡的高度、滲透能力有影響,最終改變剪切渦的特性。這些數(shù)據(jù)對于數(shù)值模擬結(jié)果的驗證,以及揭示高溫燃氣流與冷卻流的摻混機理有重要支撐作用。

1 試驗裝置

本試驗在低速風(fēng)洞中進行,該風(fēng)洞分為穩(wěn)定段、收縮段、試驗段和出口段。在穩(wěn)定段前部布置有蜂窩罩和尼龍濾網(wǎng),以消除環(huán)境中可能的較大湍渦。主流經(jīng)過收縮段后進入風(fēng)洞試驗段,如圖3所示。整套試驗裝置如圖4所示。圖5為試驗段示意圖,其截面尺寸(Lz×Ly)為460 mm×450 mm,長度(Lx)為1 000 mm,射流孔孔徑D為7 mm。

在風(fēng)洞的尾部安裝有離心風(fēng)機,用以抽取空氣,該離心風(fēng)機與頻率控制臺相連,從而可以方便地調(diào)節(jié)主流速度,主流的最大速度為30 m/s。射流則由空氣壓縮機提供,空氣經(jīng)由流量調(diào)節(jié)閥穩(wěn)定流量后進入煙霧發(fā)生器,摻有少量煙霧的氣體經(jīng)過流量計,最終由集氣腔上方的射流孔進入試驗段。為獲取更為清晰的流動圖像,本試驗采用連續(xù)性片光源打亮呈現(xiàn)為一定白色的射流。片光源最大發(fā)射功率為5 W,波長為532 nm,片光源全角為60°。本試驗拍攝使用的高速攝像機為PHANTOM CAMERA V1210,最高拍攝速度可達7.1×105frame/s。試驗中流體速度較低,對流動圖像進行記錄時,相鄰圖像間的時間間隔為0.28 ms。利用相應(yīng)的Pcc軟件來實現(xiàn)對相機的控制、觸發(fā)、參數(shù)調(diào)整和數(shù)據(jù)處理。

試驗中,速度比的計算公式為

式中:Uj與U∞分別為射流速度與主流在實驗腔中的速度。射流速度可由流量計的讀數(shù)計算得到,主流速度直接由熱線風(fēng)速儀測得?；谏淞骺卓讖紻、主流速度的雷諾數(shù)公式為

式中:ρ為主流空氣密度;μ為空氣的動力黏度;v為空氣的運動黏度。以射流孔圓心為坐標原點,相應(yīng)的坐標系如圖5所示,所獲取的試驗結(jié)果為展向中性面,即:z=0時,x Oy截面內(nèi)的流動數(shù)據(jù)。本試驗工況分別為:① 在主流速度(U∞=0.43 m/s,Re∞=203)不變的前提下,通過調(diào)節(jié)射流流量改變射流速度,實現(xiàn)速度比R分別為0.40、0.70、0.88、1.05、1.23、1.39;② 在保證速度比不變的情況下,利用頻率控制臺將離心風(fēng)機轉(zhuǎn)速調(diào)整為2、3、4、5 Hz,對應(yīng)的主流速度分別為0.25、0.43、0.65、0.86 m/s,從而使得雷諾數(shù)Re∞分別為118、203、307、406;③ 射流角度θ分別為60°、90°,通過更換試驗件實現(xiàn)。

2 結(jié)果分析

2.1 典型工況下剪切渦的形成與發(fā)展機制

圖6為Re∞=203,θ=90°,R=0.88時剪切渦的形成發(fā)展圖像。從圖6可以看出,射流從射流孔射出后,射流前緣部分直接面對主流沖擊,前緣處的渦結(jié)構(gòu)會受到主流邊界層渦的較大影響,而射流后緣受到主流的沖擊較小。在主流的壓迫剪切作用下,射流產(chǎn)生了沿主流方向的加速度及速度,射流軌跡發(fā)生了彎曲,由于射流與主流間強烈的剪切作用,產(chǎn)生了開爾文-赫姆霍茲不穩(wěn)定性[3,6,28],最終形成了剪切渦。與此同時,在射流孔后緣附近形成了一個低壓區(qū),在負壓強梯度的驅(qū)使下,該區(qū)域出現(xiàn)了逆流現(xiàn)象。Fric與Roshko[3]認為這個低壓區(qū)的出現(xiàn)有利于射流后緣附近平板邊界層的分離,最終在一定條件下促使尾跡渦的形成。射流前緣的剪切渦為迎風(fēng)渦(Leading-Edge Vortex,LEV),其旋轉(zhuǎn)方向為逆時針,根據(jù)展向渦量的定義可知,渦量為正;射流后緣的剪切渦為背風(fēng)渦(Trailing-Edge Vortex,TEV),旋轉(zhuǎn)方向為順時針,渦量為負。往下游輸運過程中,迎風(fēng)渦被拉伸、卷吸、分離,背風(fēng)渦則逐漸匯聚,負渦量占據(jù)主導(dǎo),迎風(fēng)渦和背風(fēng)渦在向下游的運動中逐漸融合、卷入,逆時針旋轉(zhuǎn)的迎風(fēng)渦逐漸變?nèi)?順時針旋轉(zhuǎn)的背風(fēng)渦逐漸成為流場的主導(dǎo)結(jié)構(gòu),正渦量逐漸減小。在射流向下游輸運的過程中,在射流孔下游約為5.5倍孔徑處,由于低壓區(qū)的出現(xiàn),平板邊界層發(fā)生分離,剪切渦被拉伸并發(fā)生較大變形。由于此工況的速度比(R=0.88)較小,低壓區(qū)內(nèi)的逆壓力梯度較小,不利于尾跡渦的生成,因此在圖6中無法觀察到清晰的尾跡渦。Kelso等[6]的試驗研究表明,當速度比大于4時,可捕捉到清晰穩(wěn)定的尾跡渦。流動結(jié)構(gòu)繼續(xù)向下游發(fā)展,由于主流與射流的劇烈摻混造成了大量的動能損失,剪切渦逐漸分解、破裂為大量小尺度的渦系結(jié)構(gòu)。

射流主體前后緣壓強差的存在加劇了主流對射流的壓迫、剪切作用,最終使得射流軌跡發(fā)生彎曲并形成剪切渦。剪切渦產(chǎn)生于射流與主流的初始摻混階段,在射流的兩側(cè)面上其強度最大,剪切渦的出現(xiàn)削弱了射流主體的動能,進一步增大了射流的彎曲程度。簡言之,x Oy平面內(nèi),射流孔附近的流場主要特征為射流的彎曲、變形,周期性卷起的剪切渦,以及剪切渦的拉伸、變形、重組。

2.2 速度比對剪切渦的影響

圖7為Re∞=203,θ=90°時,不同速度比情況下的剪切渦系圖像。從圖7的渦系結(jié)構(gòu)可以看出,不同速度比下,射流軌跡高度不同,射流在主流中的垂向滲透能力不同。本文研究的6種速度比下(圖7(a)～圖7(f)),射流的高度分別約為3D、5.5D、6D、6.3D、7.2D、8D。隨著速度比的增加,射流動量增加,射流對主流的垂向滲透能力增強,最終導(dǎo)致射流軌跡高度增大,這與文獻[29-30]得到的結(jié)論一致。此外,射流軌跡發(fā)生彎曲的位置也逐漸遠離射流孔,在6種速度比下,射流主體發(fā)生彎曲的位置高度分別約為0.8D、1D、1.4D、1.8D、2.5D、3D。隨著速度比的增大,射流軌跡的曲率減小,且在較小速度比時,射流首先發(fā)生彎曲,繼而產(chǎn)生剪切渦(圖7(a)～圖7(c));而在較大速度比時,剪切渦在射流發(fā)生彎曲之前產(chǎn)生(圖7(d)～圖7(f))。與此同時,速度比對流動渦系結(jié)構(gòu)影響很大。由于主流的橫向剪切作用,射流前緣形成了逆時針旋轉(zhuǎn)的迎風(fēng)渦。低速度比時(圖7(a)、圖7(b)),射流被主流強烈擠壓,射流與主流相互作用的結(jié)果是迎風(fēng)渦的渦強減弱并消失,背風(fēng)渦成為主要的渦系結(jié)構(gòu)。隨著速度比的增大(圖7(c)～圖7(f)),當射流離開射流孔后,射流發(fā)生變形與彎曲,同時交替出現(xiàn)逆時針旋轉(zhuǎn)的迎風(fēng)渦與順時針旋轉(zhuǎn)的背風(fēng)渦。值得注意的是,當速度比較大時(圖7(e)、圖7(f)),隨著主流與射流的摻混加劇,逆時針旋轉(zhuǎn)的迎風(fēng)渦成為了流場的主導(dǎo)結(jié)構(gòu)。該試驗觀察到的現(xiàn)象與課題組之前的數(shù)值研究結(jié)果[14]一致。在小速度比時,由于射流的動能較小,順時針旋轉(zhuǎn)的主流剪切層渦會抑制逆時針旋轉(zhuǎn)的射流剪切層渦的形成及發(fā)展,并在剪切作用的驅(qū)使下形成了順時針旋轉(zhuǎn)的背風(fēng)渦,最終在流場中占據(jù)主導(dǎo)地位。速度比增大,射流的動能增大,逆時針旋轉(zhuǎn)的射流剪切層渦的強度增大,從而抵抗了主流剪切層渦的抑制作用,并形成了逆時針旋轉(zhuǎn)的迎風(fēng)渦,當速度比增大到一定程度時,迎風(fēng)渦會成為主要的流動結(jié)構(gòu)。在上述研究的6種速度比工況下,均是在射流前緣首先發(fā)生凹陷,繼而逐漸引起射流后緣的失穩(wěn)。除R=0.40(圖7(a))時,其本身射流高度太小外,失穩(wěn)位置隨速度比的增大也逐漸靠近射流孔,圖7(b)～圖7(f)中,失穩(wěn)凹陷處距射流孔高度分別約為2.5D、2D、1.5D、1D、0.5D。在速度比很小時(圖7(a)),迎風(fēng)渦與背風(fēng)渦之間的干擾小,剪切渦的運動形態(tài)很穩(wěn)定。隨著速度比的增大,渦結(jié)構(gòu)之間干擾增強,剪切渦的形態(tài)逐漸紊亂。從圖7展示的結(jié)果可以看出,當速度比大于1(圖7(d)～圖7(f))時,剪切渦的連續(xù)性出現(xiàn)較大減弱,與小速度比(圖7(a)～圖7(c))的工況相比,在速度比大于1的工況下,剪切渦的形態(tài)更加紊亂、不規(guī)則,而且,剪切渦在距離射流孔更近的流向位置就開始發(fā)生變形與耗散。這是因為,射流初始速度大,使得剪切渦還沒來得及向下游輸運,上游相鄰的一個甚至多個剪切渦已經(jīng)趕上,多個剪切渦發(fā)生融合、卷入,使得剪切渦尺寸更大,渦系的形態(tài)更加紊亂,并在向下游的運動中不斷脫落形成了垂直并延伸至平板表面的尾跡渦[3]。

最后,從圖7還可以發(fā)現(xiàn),迎風(fēng)渦和背風(fēng)渦的產(chǎn)生雖有時間差,但總是相伴而行,在向下游發(fā)展過程中逐漸融合,且下游剪切渦的渦核部分與上游相鄰的背風(fēng)渦相連,在自身沿主流方向的速度分量和主流的推動下,向下游流動。射流后下方產(chǎn)生的逆流區(qū),流動復(fù)雜,靠近射流的逆流區(qū)邊界部分總體呈現(xiàn)出與主流反向的運動,同時加劇主流與射流之間的摻混。在逆流區(qū)之前,剪切渦的運動較為穩(wěn)定,強度也較大,而當流過此區(qū)域時,其形態(tài)快速改變,渦運動變的紊亂,這說明逆流區(qū)在加劇主流與射流之間摻混程度的同時也干擾了剪切渦的發(fā)展。

2.3 雷諾數(shù)對剪切渦的影響

圖8為R=0.62,θ=90°時,不同雷諾數(shù)下的剪切渦系圖。圖8的結(jié)果顯示,隨著雷諾數(shù)的增大,主流對射流的壓迫作用增強,射流軌跡高度逐漸降低,射流的滲透能力下降,射流軌跡發(fā)生彎曲的位置離射流孔越近,曲率也越大。與此同時,隨著雷諾數(shù)的增大,主流對射流的輸運作用增強,剪切渦結(jié)構(gòu)越快發(fā)生變形與耗散(圖8(d))。而且,隨著雷諾數(shù)的增大,剪切渦的生成位置也逐漸由射流前緣向射流后緣發(fā)展,即初始剪切渦由逆時針旋轉(zhuǎn)的迎風(fēng)渦逐漸變?yōu)轫槙r針旋轉(zhuǎn)的背風(fēng)渦,且渦強度逐漸增大。這是因為順時針旋轉(zhuǎn)的主流邊界層渦的強度隨著雷諾數(shù)的增大而增大,抑制了逆時針旋轉(zhuǎn)的射流邊界層渦的形成與發(fā)展,最終使得順時針旋轉(zhuǎn)的背風(fēng)渦成為流場的主導(dǎo)渦系結(jié)構(gòu)。在沿主流方向流動過程中,逆時針旋轉(zhuǎn)的迎風(fēng)渦與順時針旋轉(zhuǎn)的背風(fēng)渦交替出現(xiàn)并連接形成鏈狀結(jié)構(gòu)。繼續(xù)往下游流動,渦強更大的背風(fēng)渦將上游渦強較弱的迎風(fēng)渦吞噬并發(fā)生變形、拉伸,最后耗散。在本文研究的雷諾數(shù)范圍內(nèi)可以看出,隨雷諾數(shù)的增大,剪切渦的變形越明顯。

2.4 射流角對剪切渦的影響

圖9為Re∞=203,R=1.10時,不同射流角度下的剪切渦系圖像。從圖9中可以發(fā)現(xiàn),隨著射流角度的增大,射流軌跡發(fā)生彎曲的位置離射流孔中心的流向距離減小,彎曲位置的曲率增大。這是因為隨著角度的增大,射流速度沿主流方向的速度分量減小,主流對射流的壓迫、加速作用越明顯。與此同時,射流對主流的垂向滲透能力增強。當射流角為60°時(圖9(a)),射流一經(jīng)流出便在距離射流孔約為0.8D的位置處形成迎風(fēng)渦。而當射流角增大至90°時

(圖9(b)),在距離平板的垂向高度約為1.5D的位置處才發(fā)生凹陷繼而形成剪切渦。這個現(xiàn)象說明了在大傾斜角的工況下,射流的垂向滲透能力更強。

3 結(jié) 論

為深入揭示氣膜冷卻中高溫燃氣流與冷卻流的摻混機理,本文設(shè)計、搭建試驗臺,研究了JICF中剪切渦的形成、發(fā)展機制,結(jié)果發(fā)現(xiàn):

1)射流孔附近區(qū)域流場的主要特征是射流彎曲、變形及剪切渦周期性卷起、拉伸、變形、重組。

2)速度比、雷諾數(shù)以及射流角會改變主流與射流之間的摻混程度及射流在主流中的垂向滲透能力,從而改變射流軌跡的曲率與高度,最終改變剪切渦的特性。

3)迎風(fēng)渦與背風(fēng)渦分別是由逆時針旋轉(zhuǎn)的射流邊界層渦與順時針旋轉(zhuǎn)的主流邊界層渦形成的。當主流邊界層渦強度大于射流邊界層渦時,背風(fēng)渦是流場的主導(dǎo)結(jié)構(gòu),反之,迎風(fēng)渦將成為流場的主要渦系結(jié)構(gòu)。

本文對JICF中的剪切渦進行了試驗研究,得到了JICF中剪切渦的定性流動信息,今后將進行定量等更為深入的研究。此外,展向yOz平面內(nèi)的反向旋轉(zhuǎn)渦對(CVP),是JICF中的另一主要渦系結(jié)構(gòu),其演化機理與發(fā)展趨勢對JICF的諸多應(yīng)用,如氣膜冷卻效率、沖擊射流冷卻效率等有重要影響。今后將對CVP的演化過程與機理進行深入的試驗與數(shù)值模擬研究,為揭示JICF的復(fù)雜流動機理提供更多基礎(chǔ)。

[1] TYAGI M,ACHARYA S.Large eddy simulation of film cooling flow from an inclined cylindrical jet[J].Journal of Turbomachinery,2003,125(4):734-742.

[2] BOGARD D G,THOLE K A.Gas turbine film cooling[J].Journal of Propulsion&Power,2006,22(2):249-270.

[3] FRIC T F,ROSHKO A.Vortical structure in the wake of a transverse jet[J].Journal of Fluid Mechanics,1994,279:1-47.

[4] GUTMARK E J,IBRAHIM I M,MURUGAPPAN S.Dynamics of single and twin circular jets in cross flow[J].Experiments in Fluids,2011,50(3):653-663.

[5] SALEWSKI M,STANKOVIC D,FUCHS L.Mixing in circular and non-circular jets in crossflow[J].Flow,Turbulence and Combustion,2008,80(2):255-283.

[6] KELSO R M,LIM T T,PERRY A E.An experimental study of round jets in cross-flow[J].Journal of Fluid Mechanics,1996,306:111-144.

[7] LIM T T,NEW T H,LUO S C.On the development of large-scale structures of a jet normal to a cross flow[J].Physics of Fluids,2001,13(3):770-775.

[8] MAHESH K.The interaction of jets with crossflow[J].Annual Review of Fluid Mechanics,2013,45:379-407.

[9] SAU R,MAHESH K.Dynamics and mixing of vortex rings in crossflow[J].Journal of Fluid Mechanics,2008,604:389-409.

[10] 關(guān)暉,吳錘結(jié).湍流橫向射流的大渦模擬及其渦結(jié)構(gòu)特性[J].中國科學(xué),2006,36(6):662-677.GUAN H,WU C J.Large eddy simulation of turbulent transverse jet and its vortex structure[J].Science in China,2006,36(6):662-677(in Chinese).

[11] 郭婷婷,徐忠,李少華.2種角度橫向紊動射流的實驗分析[J].西安交通大學(xué)學(xué)報,2003,37(11):1207-1210.GUO T T,XU Z,LI S H.Experimental study on turbulent jets injected obliquely into a crossflow[J].Journal of Xi'an Jiaotong University,2003,37(11):1207-1210(in Chinese).

[12] LEI J,WANG X,XIE G,et al.Turbulent flow field analysis of a jet in cross flow by DNS[J].Journal of Engineering Thermophysics,2015,24(3):259-269.

[13] LEI J,WANG X,XIE G.High performance computation of a jet in crossflow by lattice Boltzmann based parallel direct numerical simulation[J].Mathematical Problems in Engineering,2015,2015:1-11.

[14] SHANGGUAN Y,WANG X,LI Y.Large-scaled simulation on the coherent vortex evolution of a jet in a crossflow based on lattice Boltzmann method[J].Thermal Science,2015,19(3):977-988.

[15] 上官燕琴,王嫻,李躍明.基于格子Boltzmann方法的平板射流大渦模擬[J].計算物理,2015,32(6):669-676.SHANGGUAN Y Q,WANG X,LI Y M.High-performance numerical simulation of jet in cross-flow based on lattice Boltzmann method[J].Chinese Journal of Computational Physics,2015,32(6):669-676(in Chinese).

[16] SHANGGUAN Y Q,WANG X,LI Y M.Investigation on the mixing mechanism of single-jet film cooling with various blowing ratios based on hybrid thermal lattice Boltzmann method[J].International Journal of Heat&Mass Transfer,2016,97:880-890.

[17] SHAHZAD K,FLECK B A,WILSON D J.Small scale modeling of vertical surface jets in cross-flow:Reynolds number and downwash effects[J].Journal of Fluids Engineering,2007,129(3):311-318.

[18] FEARN R,WESTON R P.Vorticity associated with a jet in a cross flow[J].AIAA Journal,2012,12(12):1666-1671.

[19] COUSSEMENT A,GICQUEL O,DEGREZ G.Large eddy simulation of a pulsed jet in cross-flow[J].Journal of Fluid Mechanics,2012,695:1-34.

[20] RUIZ A M,LACAZE G,OEFELEIN J C.Flow topologies and turbulence scales in a jet-in-cross-flow[J].Physics of Fluids,2015,27(4):531-553.

[21] 朱呈祥,尤延鋮.橫向氣流中非牛頓液體射流直接數(shù)值模擬[J].航空學(xué)報,2016,37(9):2659-2668.ZHU C X,YOU Y C.Direct numerical simulation of non-Newtonian liquid jet in crossflow[J].Acta Aeronautica et Astronautica Sinica,2016,37(9):2659-2668(in Chinese).

[22] MUPPIDIS,MAHESH K.Two-dimensional model problem to explain counter-rotating vortex pair formation in a transverse jet[J].Physics of Fluids,2006,18(8):085103.

[23] CORTELEZZI L,KARAGOZIAN A R.On the formation of the counter-rotating vortex pair in transverse jets[J].Journal of Fluid Mechanics,2001,446:347-373.

[24] DONNADIEU C,ORTIZ S,CHOMAZ J M,et al.Three-dimensional instabilities and transient growth of a counter-rotating vortex pair[J].Physics of Fluids,2009,21(9):94-102.

[25] SCHLEGEL F,WEE D,MARZOUK Y M,et al.Contributions of the wall boundary layer to the formation of the counter-rotating vortex pair in transverse jets[J].Journal of Fluid Mechanics,2011,676:461-490.

[26] GOPALAN S,ABRAHAM B M,KATZ J.The structure of a jet in cross flow at low velocity ratios[J].Physics of Fluids,2004,16(6):2067-2087.

[27] CAMBONIE T,GAUTIER N,AIDER J L.Experimental study of counter-rotating vortex pair trajectories induced by a round jet in cross-flow at low velocity ratios[J].Experiments in Fluids,2013,54(3):1-13.

[28] YUAN L L,STREET R L,FERZIGER J H.Large-eddy simulations of a round jet in crossflow[J].Journal of Fluid Mechanics,1999,379:71-104.

[29] NEW T H,LIM T T,LUO S C.Effects of jet velocity profiles on a round jet in cross-flow[J].Experiments in Fluids,2006,40(6):859-875.

[30] YUAN L L,STREET R L.Trajectory and entrainment of a round jet in crossflow[J].Physics of Fluids,1998,10(9):2323-2335.

Experimental investigation on shear vortex of jet in cross-flow at low Reynolds number

ZHANG Baolei1,2,SHANGGUAN Yanqin1,2,WANG Xian1,2,*,CHEN Gang1,2,Ll Yueming1,2

1.State Key Laboratory for Strength and Vibration of Mechanical Structures,School of Aerospace,Xi'an Jiaotong University,Xi'an 710049,China
2.Shaanxi Key Laboratory of Environment and Control for Flight Vehicle,School of Aerospace,Xi'an Jiaotong University,Xi'an 710049,China

The flow characteristic and vortical structures associated with the jet in cross-flow(JlCF)is studied to reveal the mixing mechanism between coolant jet and hot cross-flow in film cooling of turbine blades.Experimental investigations on shear vortex of single-jet in cross-flow are carried out in this paper.The effects of velocity ratio,Reynolds number and inclined angle on the characteristics of shear vortex are studied mainly.Results show that the velocity ratio,Reynolds number and inclined angle have a great influence on the mixing between jet and cross-flow,and therefore affect the jet trajectory and jet penetration into cross-flow which results in various characteristics of shear vortex.We also find that the leading-edge shear vortex and trailing-edge shear vortex are formed by boundary layer vortex of jet flow and cross-flow,respectively.The trailing-edge shear vortex becomes the main flow structure when the cross-flow boundary layer vortex is stronger than jet boundary layer vortex.On the contrary,the leading-edge vortex becomes dominant.

jet in cross-flow;velocity ratio;Reynolds number;inclined angle;shear vortex

2016-10-04;Revised:2016-10-27;Accepted:2016-11-16;Published online:2016-12-14 16:29

URL:www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20161214.1629.004.html

s:National Basic Research Program of China(2013CB035702);National Natural Science Foundation of China(11302165)

O358

A

1000-6893(2017)07-120831-09

10.7527/S1000-6893.2016.0305

2016-10-04;退修日期:2016-10-27;錄用日期:2016-11-16;網(wǎng)絡(luò)出版時間:2016-12-14 16:29

www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20161214.1629.004.html

國家“973”計劃 (2013CB035702);國家自然科學(xué)基金 (11302165)

*通訊作者.E-mail:wangxian@mail.xjtu.edu.cn

張保雷,上官燕琴,王嫻,等.低雷諾數(shù)下橫流-射流中剪切渦的試驗研究[J].航空學(xué)報,2017,38(7):120831.ZHANG B L,SHANGGUANY Q,WANG X,et al.Experimental investigation on shear vortex ofjet in cross-flow at low Reynolds number[J].Acta Aeronautica et Astronautica Sinica,2017,38(7):120831.

(責(zé)任編輯:王嬌)

*Corresponding author.E-mail:wangxian@mail.xjtu.edu.cn