實(shí)驗(yàn)研究類螺紋孔旋流沖擊射流的冷卻特性

蘭進(jìn), 徐亮, 馬永浩, 高建民, 李云龍

(西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 710049, 西安)

實(shí)驗(yàn)研究類螺紋孔旋流沖擊射流的冷卻特性

蘭進(jìn), 徐亮, 馬永浩, 高建民, 李云龍

(西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 710049, 西安)

為了實(shí)現(xiàn)均勻高效的射流沖擊冷卻,提出了一種新型旋流射流冷卻結(jié)構(gòu),即圓孔內(nèi)壁等間隔設(shè)有4條類似螺紋孔的螺旋槽道。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了該噴嘴在不同螺旋角(0°、15°、30°、45°)、雷諾數(shù)Re(6 000～30 000)、沖擊距離(1～8倍當(dāng)量直徑)等參數(shù)下對(duì)靶面換熱特性的影響,揭示了該噴嘴沖擊射流靶面的換熱規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,增大螺旋槽道角度,靶面的換熱系數(shù)有所增強(qiáng)。與普通圓孔及無(wú)旋多槽道沖擊射流相比,同工況下帶有一定螺旋角的旋轉(zhuǎn)射流可有效提高靶面的整體換熱系數(shù)。在2倍和4倍當(dāng)量直徑的沖擊距離下,45°類螺紋孔旋流射流換熱的駐點(diǎn)努塞爾數(shù)Nu比普通圓孔射流分別高出7.4%和11.4%;靶面Nu與Re成非線性正比關(guān)系,在較高Re下Nu在靶面中心點(diǎn)以外0.7倍當(dāng)量直徑處出現(xiàn)峰值;隨著沖擊距離的增大,旋流對(duì)靶面沖擊換熱的作用效果減弱,乃至消失。

旋流沖擊射流;沖擊冷卻;換熱均勻性;螺紋孔

thread nozzle

高品質(zhì)的冷卻技術(shù)不僅有高的換熱系數(shù),同時(shí)也需要具有良好的換熱均勻性,以此降低換熱區(qū)域的溫度梯度來(lái)盡量減小熱應(yīng)力,從而保證冷卻設(shè)備在高溫環(huán)境下安全可靠運(yùn)行。在已有的強(qiáng)化傳熱技術(shù)中,沖擊冷卻是單相工質(zhì)提高局部傳熱系數(shù)最有效的方法。一般來(lái)說(shuō),傳統(tǒng)的單孔沖擊冷卻靶面的換熱特征呈現(xiàn)明顯的“鐘型”分布,即滯止點(diǎn)的傳熱系數(shù)要比遠(yuǎn)離滯止點(diǎn)的傳熱系數(shù)高得多。即使采用陣列冷卻方式,在冷卻區(qū)域也通常出現(xiàn)很多“冷斑”,帶來(lái)較大的溫度梯度,傳熱系數(shù)最大值與最小值之比最高可達(dá)10[1]。旋流沖擊冷卻是實(shí)現(xiàn)傳熱系數(shù)高且局部能實(shí)現(xiàn)均勻換熱的最有前途的冷卻方式之一。與傳統(tǒng)無(wú)旋單孔沖擊射流相比,旋流沖擊射流在軸向速度中增加了切向速度分量,這勢(shì)必影響射流空間的流動(dòng)結(jié)構(gòu)及流動(dòng)狀態(tài),從而引起靶面換熱特性的變化。旋流切向速度的加入,加速了對(duì)周?chē)鷼饬鞯膴A帶,從而使軸向射流衰減變快。大多數(shù)射流沖擊冷卻氣流均處于高速湍流狀態(tài),旋流的加入也勢(shì)必增大整個(gè)射流流場(chǎng)的紊流強(qiáng)度。軸向速度的快速衰減與較大的紊流強(qiáng)度,勢(shì)必對(duì)靶面的換熱強(qiáng)弱與換熱均勻性產(chǎn)生影響。目前,鑒于旋流沖擊射流流動(dòng)現(xiàn)象的復(fù)雜性和旋流沖擊在工業(yè)上的廣泛應(yīng)用,旋流沖擊傳熱問(wèn)題已成為傳熱工作者所關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一[2-4]。

目前在旋流沖擊射流換熱特性研究方面,產(chǎn)生旋流裝置主要是在噴嘴內(nèi)部插入螺旋桿、導(dǎo)葉輪、扭轉(zhuǎn)帶等。Huang等研究了一個(gè)內(nèi)置螺旋桿的圓管旋流沖擊射流,實(shí)驗(yàn)測(cè)量了4個(gè)不同螺旋角度(θ=0°,15°,30°,45°)下的流動(dòng)及換熱情況[5]。與傳統(tǒng)單個(gè)圓孔射流和無(wú)旋多槽道沖擊射流相比,旋轉(zhuǎn)射流靶面努塞爾數(shù)Nu在r/d=2附近產(chǎn)生了馬鞍形分布,大大增強(qiáng)了靶面的換熱系數(shù),且換熱的徑向均勻性得到改善。Bakirci等采用熱色液晶技術(shù)研究了θ=0°,22.5°,41°,50°的4種不同螺旋桿的旋流沖擊射流的換熱特性,發(fā)現(xiàn)無(wú)旋多槽道沖擊射流比旋流沖擊和傳統(tǒng)單個(gè)圓孔射流的靶面換熱系數(shù)要大[6]。隨著螺旋角增大,旋流沖擊射流的靶面換熱均勻性越來(lái)越明顯,在θ=50°、h/D=14時(shí)有最佳效果。Brown等用熱膜成像技術(shù)研究了兩種不同導(dǎo)葉產(chǎn)生的旋流沖擊射流流動(dòng)及傳熱特性,并研究了旋流沖擊射流時(shí)靶面熱流量的脈動(dòng)效應(yīng)[7]。導(dǎo)葉旋流結(jié)構(gòu)在r/D=1處呈現(xiàn)出明顯的Nu峰值。對(duì)比無(wú)旋射流,旋流沖擊射流能提升靶面r/D≤3.5區(qū)域的換熱系數(shù)。Fenot等采用紅外熱像儀與PIV技術(shù),研究8個(gè)通道旋流沖擊射流的流動(dòng)結(jié)構(gòu)與換熱增強(qiáng)機(jī)理[8]。小沖擊距離h/D=1時(shí),旋流能有效增強(qiáng)靶面回流區(qū)域(0.8≤r/D≤1.5)的換熱系數(shù)。隨著沖擊距離加大,對(duì)比傳統(tǒng)圓孔射流,旋流射流靶面換熱系數(shù)增強(qiáng)明顯,但相對(duì)無(wú)旋多槽道射流要弱一些。Eiamsa-ard等研究了12種不同類型的扭轉(zhuǎn)帶產(chǎn)生的旋流沖擊換熱特性,通過(guò)熱電偶測(cè)量了TT與ST型扭轉(zhuǎn)帶在不同工況下的內(nèi)壁面與周?chē)鷾囟茸兓?得出不同旋流作用下的靶面換熱系數(shù),并得出了換熱性能最好的扭轉(zhuǎn)帶結(jié)構(gòu)[9]。低沖擊距離下h/D=1,2時(shí),對(duì)比傳統(tǒng)圓孔射流,旋流沖擊射流均具有更高的靶面平均換熱系數(shù)。Yang等研究了一種環(huán)形旋轉(zhuǎn)射流的傳熱特性,研究表明在足夠大的沖擊距離下,該射流顯示出類似于單個(gè)圓管沖擊射流的特征[10]。在中小沖擊距離下,局部壓力和傳熱系數(shù)在沖擊靶板上的分布與傳統(tǒng)環(huán)形沖擊射流相比更不均勻,但總體傳熱性能更好。Nuntadusit等用熱色液晶技術(shù)研究了插入扭轉(zhuǎn)帶的單個(gè)圓管旋流射流和圓管群的陣列旋流射流,研究表明對(duì)于單個(gè)圓管旋流射流,旋轉(zhuǎn)數(shù)為0.4、扭轉(zhuǎn)帶寬度與節(jié)距之比y/W=3.4的換熱性能最佳[11-12]。陳玉陽(yáng)等用熱色液晶技術(shù)研究了一個(gè)插入扭轉(zhuǎn)帶圓管的以二氧化碳為工質(zhì)的旋流射流,結(jié)果表明低雷諾數(shù)下徑向換熱均勻化效果明顯[13]。

從上述的文獻(xiàn)可知,旋流射流的噴嘴結(jié)構(gòu)是決定射流靶面換熱特性的核心關(guān)鍵因素。本文提出了一種垂直軸向射流與旋流的疊加性旋流射流新型噴嘴,即類螺紋孔結(jié)構(gòu)的噴嘴。期望該噴嘴結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的旋流沖擊,相對(duì)于傳統(tǒng)圓孔射流在同工況下能保持或提升靶面滯止點(diǎn)的換熱性能,并同時(shí)獲得滯止點(diǎn)局部區(qū)域較好的換熱均勻性。為了開(kāi)展研究,設(shè)計(jì)搭建了沖擊射流傳熱特性的實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng),并結(jié)合現(xiàn)有文獻(xiàn)中傳統(tǒng)的單個(gè)圓孔射流沖擊冷卻數(shù)據(jù),驗(yàn)證了本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可靠性。利用該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),研究了所設(shè)計(jì)的旋流噴嘴在不同螺旋角、Re、沖擊距離下靶面的傳熱特性。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理方法

1.1 設(shè)計(jì)搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

設(shè)計(jì)搭建的旋流沖擊冷卻換熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示,主要由氣源壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣罐、干燥除濕系統(tǒng)、穩(wěn)流段、集氣室、實(shí)驗(yàn)支撐臺(tái)架、射流噴嘴、靶面短路加熱器、測(cè)量?jī)x器系統(tǒng)、隔熱保溫和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。該裝置通過(guò)變換不同幾何結(jié)構(gòu)的噴嘴和調(diào)整靶面高度及放置方式,可以進(jìn)行不同角度、沖擊距離下的無(wú)旋/旋流沖擊射流的單孔/孔群陣列傳熱特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)。

(a)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

(b)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)體照?qǐng)D1 設(shè)計(jì)搭建的沖擊射流流動(dòng)及傳熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)的靶面選擇了厚度為1 mm、長(zhǎng)寬為320 mm×320 mm的正方形不銹鋼板,靶面采用短路加熱器(電壓U為0～10 V,電流I為0～4 kA)加熱。本實(shí)驗(yàn)所加載的功率為140～280 W,對(duì)應(yīng)的不銹鋼靶面具有的恒定熱流密度為2～4 kW/m2。為了盡量減小靶面的熱量損失,靶面底部設(shè)有10 mm厚的碳纖維硬塑板,并放入墊有石棉的木箱中。實(shí)驗(yàn)工質(zhì)為環(huán)境空氣,通過(guò)流量計(jì)來(lái)測(cè)定射流氣流流量,并在帶有柵格整流的集氣室四周設(shè)有引壓孔和熱電偶,分別測(cè)試集氣室內(nèi)的氣流壓力和溫度。

靶面溫度由焊接在不銹鋼底部的密集熱電偶群來(lái)測(cè)量。熱電偶測(cè)點(diǎn)群共有41個(gè)溫度測(cè)點(diǎn),布置為“十字”型(如圖2a所示),中心滯止點(diǎn)布置有一根熱電偶,周?chē)?個(gè)坐標(biāo)方向上分別布置有10根測(cè)量熱電偶,間距為5 mm,測(cè)量熱電偶在沖擊靶面上構(gòu)成了一個(gè)直徑為100 mm的溫度測(cè)量區(qū)。焊接在靶面的熱電偶采用夾片固定(如圖2b所示)。

(a)熱電偶布置 (b)熱電偶的固定方式圖2 靶面測(cè)溫?zé)犭娕嫉牟贾眉肮潭ǚ绞?/p>

1.2 旋流噴嘴

射流噴嘴實(shí)驗(yàn)件采用自組裝3D打印機(jī)制作,材料為PLA樹(shù)脂,打印精度為±0.2 mm,最大表面粗糙度Ra=200 μm,實(shí)驗(yàn)噴嘴的幾何模型如圖3a所示。

(a)實(shí)驗(yàn)件噴嘴幾何模型

噴嘴長(zhǎng)度L=30 mm,噴嘴中心孔內(nèi)徑d=5 mm,噴嘴中心孔外徑D=9 mm,螺旋槽道橫截面形狀約為2 mm×2 mm的矩形。打印制作的實(shí)物如圖3b所示。本實(shí)驗(yàn)制作了4種不同螺旋角度的噴嘴試驗(yàn)件,分別為θ=0°,15°,30°,45°。θ=0°對(duì)應(yīng)4槽道的無(wú)旋沖擊射流噴嘴(簡(jiǎn)稱為MCIJ)。為了與傳統(tǒng)單一圓孔沖擊射流的靶面換熱性能進(jìn)行比較,制作了一個(gè)直徑為7 mm(取螺紋中徑)的普通光滑圓孔(簡(jiǎn)稱為CIJ)。

(b)實(shí)驗(yàn)件圖3 實(shí)驗(yàn)件噴嘴結(jié)構(gòu)及實(shí)物

1.3 數(shù)據(jù)處理方式

沖擊靶面總的輸入功率P0=UI,整個(gè)靶面的熱損失主要包含靶面向周?chē)h(huán)境的輻射傳熱Prad和靶面隔熱層的熱傳導(dǎo)損失Pcv兩部分。靶面的熱通量為

q=(P0-Prad-Pcv)/Atar

(1)

式中:Atar為靶面面積。經(jīng)評(píng)估,本實(shí)驗(yàn)研究工況下測(cè)試系統(tǒng)的輻射和熱傳導(dǎo)的損失熱量不超過(guò)加載熱量的5%。

靶面的對(duì)流傳熱系數(shù)為

h′=q/(Tw-Tad)

(2)

式中:Tad為絕熱狀態(tài)下靶面溫度;Tw為計(jì)算的靶面溫度,因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)的旋流噴嘴內(nèi)部槽道為對(duì)稱分布,所以Tw為距離滯止點(diǎn)同一徑向位置的靶面熱電偶測(cè)試溫度的平均值。

表征靶面換熱能力的換熱Nu為

(3)

式中:當(dāng)量直徑dj取螺紋中徑,即dj=7 mm;h′為靶面的傳熱系數(shù);k為空氣導(dǎo)熱系數(shù)。表1為本研究采用的測(cè)量?jī)x器及其精度。

表1 各測(cè)量工具和儀器的精度

基于表1的數(shù)據(jù),根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)不確定計(jì)算方法,實(shí)驗(yàn)中Re與Nu的不確定度的絕對(duì)值由下式計(jì)算

本研究中Re和Nu的不確定度最大分別為2.56%和2.1%。

針對(duì)CIJ射流,圖4給出了相同工況下本研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與公開(kāi)文獻(xiàn)的結(jié)果對(duì)比。經(jīng)過(guò)比較可以看出,就選取的實(shí)驗(yàn)工況,本研究的圓孔沖擊射流的靶面換熱系數(shù)與公開(kāi)文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[9,14-15]吻合較好,這表明由本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)得到的數(shù)據(jù)具有較高的可靠性。

圖4 實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)量靶面換熱系數(shù)與公開(kāi)文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析

2.1 螺旋角對(duì)靶面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響

圖5是不同螺旋角下的靶面Nu分布,從整體上看,螺旋角對(duì)沖擊射流換熱的影響主要集中在沖擊靶面的中心區(qū)域(r/dj≤2)和外圍區(qū)域(r/dj>4),不同螺旋角噴嘴的靶面Nu在靶面2

(a)h=2dj

(b)h=4dj圖5 不同螺旋角的靶面換熱系數(shù)(Re=12 000)

另外,螺旋槽道的設(shè)置使得中心區(qū)域的換熱得到加強(qiáng),在沖擊距離h=2dj時(shí),螺旋角從0°依次增加到45°,靶面中心駐點(diǎn)的Nu分別增大了2.4%、0.2%、4.9%,相比CIJ射流則增大了11.4%;沖擊距離h=4dj時(shí),螺旋角從0°依次增加到45°,靶面中心駐點(diǎn)的Nu分別增大了1.4%、1.9%、2.1%,相比CIJ射流則增大了7.4%。當(dāng)沖擊距離增加1倍時(shí),螺旋角對(duì)靶面換熱的作用相對(duì)減弱,另外兩種沖擊距離下,MCIJ射流的靶面Nu在徑向r/dj>3的范圍內(nèi)均最小。這說(shuō)明增大螺旋槽道角度,可以有效提高靶面中心區(qū)域(r/dj<3)的換熱系數(shù),并改善沖擊射流換熱的均勻性。

2.2 射流進(jìn)口Re對(duì)靶面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響

選取15°螺旋角噴嘴為研究對(duì)象,圖6為兩種沖擊距離下不同Re時(shí)靶面的Nu分布。與CIJ射流(如圖4所示)一樣,兩種不同沖擊距離下,沖擊靶面的Nu都隨著進(jìn)口氣流Re的提升而逐漸增大。在較低Re時(shí),靶面Nu呈現(xiàn)與CIJ射流近似的“鐘型”分布,但在r/dj≤1.5的區(qū)域局部Nu變化相對(duì)平坦,具有比CIJ射流更好的均勻性。

(a)h=2dj

(b)h=4dj圖6 不同Re下靶面的Nu分布

就滯止區(qū)的傳熱均勻性來(lái)說(shuō),在低Re條件下,滯止區(qū)附近區(qū)域具有較好的均勻性。在較高的Re下,與CIJ射流不一樣的是,靶面Nu的峰值并沒(méi)有出現(xiàn)在中心滯止點(diǎn),而是在中心滯止點(diǎn)外圍大約r/dj=0.7處,且不同Re下這一位置基本保持不變。這說(shuō)明螺紋槽道產(chǎn)生旋流的夾帶作用,使得滯止點(diǎn)處的氣流更容易向四周擴(kuò)散,引起滯止點(diǎn)附近區(qū)域氣流徑向速度的增大,從而增強(qiáng)了靶面中心滯止點(diǎn)外圍的換熱。隨著Re的增大,具有更多的切向速度分量的旋流加入,使得這一區(qū)域的換熱增強(qiáng)更為顯著。

2.3 沖擊距離對(duì)靶面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響

為了測(cè)試更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),本節(jié)分析選取30°螺旋角噴嘴為研究對(duì)象,圖7是螺紋孔旋流沖擊射流在不同沖擊距離時(shí)靶面Nu的分布情況。

(a)Re=6 000

(b)Re=12 000圖7 不同h下靶面的Nu分布

從圖中可以看出,兩種Re條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明,增大沖擊距離,靶面整體換熱系數(shù)降低,即靶面Nu減小。在Re=12 000時(shí),Nu在中心點(diǎn)外圍大約r/dj=0.7處有峰值,在較小雷諾數(shù)Re=6 000時(shí),靶面Nu峰值特性整體弱化。兩種不同Re下,隨著沖擊距離降低,靶面Nu的外圍峰值逐漸減弱,在較低Re和較小h時(shí),Nu的分布特性與CIJ射流類似,趨近“鐘型”分布。這表明隨著沖擊距離的增大,旋流對(duì)靶面沖擊換熱的作用效果減弱,乃至消失。在小沖擊流量(較小的Re)下,旋流的作用距離也隨之變短。

在Re=6 000時(shí),隨著沖擊距離依次增大到2、3、4、6、8倍當(dāng)量直徑的沖擊距離時(shí),靶面中心點(diǎn)Nu分別下降了11.4%、16.7%、24.4%、30%、35.4%,在Re=12 000時(shí),靶面中心點(diǎn)Nu分別下降了1.7%、8.7%、12.2%、21.2%、29.1%,顯然,隨著沖擊距離的增加,不同Re下靶面Nu的下降趨勢(shì)卻不同。在較小Re時(shí),靶面Nu隨著沖擊距離增大下降更快,另外,沖擊距離的增加雖然導(dǎo)致靶面整體換熱系數(shù)降低,但Nu中心峰值逐漸向外圍偏移,這從一定程度上有助于改善靶面換熱的均勻性。就局部區(qū)域(r/dj≤1)的傳熱均勻性來(lái)說(shuō),在θ=30°時(shí)h=3dj下效果最佳。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)搭建了一個(gè)可用于沖擊射流換熱研究的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),設(shè)計(jì)了一種能產(chǎn)生旋流沖擊射流的類螺紋孔噴嘴,在相同工況下采用單個(gè)圓孔射流對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行測(cè)試,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好,驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的可靠性。在此基礎(chǔ)上,實(shí)驗(yàn)研究了自由射流空間下θ、Re、h對(duì)螺紋孔旋轉(zhuǎn)射流冷卻特性的影響,主要結(jié)論如下。

(1)同一工況下,對(duì)比MCIJ射流和CIJ射流,旋流沖擊射流能有效提高靶面中心區(qū)域的換熱系數(shù)。Re=12 000時(shí),45°螺紋噴嘴在h=2dj和h=4dj下比普通圓孔的駐點(diǎn)Nu高出11.4%和7.4%。增大螺旋角,可以有效提高靶面中心區(qū)域(r/dj<3)的換熱系數(shù),并改善沖擊射流換熱的均勻性。

(2)旋流沖擊射流靶面換熱的Nu與Re成非線性的正相關(guān),大約在r/dj=0.7位置處,靶面Nu出現(xiàn)峰值,且Re越大,Nu外圍峰值越明顯,即螺旋槽道產(chǎn)生的旋流氣流有助于增強(qiáng)靶面中心駐點(diǎn)外圍的換熱,從而使駐點(diǎn)附近區(qū)域換熱更均勻。

(3)隨著沖擊距離的增大,旋流對(duì)靶面沖擊換熱的作用效果減弱,乃至消失。在小沖擊流量(較小的Re)下,旋流的作用距離變短。

(4)就滯止點(diǎn)局部區(qū)域換熱均勻性來(lái)說(shuō),大螺旋角、低Re和小沖擊距離下更容易實(shí)現(xiàn)。

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ExperimentalResearchontheCoolingCharacteristicsbySwirlingImpingingJetfromaNozzlewithInternalThread

LAN Jin, XU Liang, MA Yonghao, GAO Jianmin, LI Yunlong

(State Key Laboratory of Mechanical Manufacturing Systems Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

To achieve high-efficiency cooling performance and good uniformity of impinging jet, a new type of nozzle structure is proposed. The new nozzle has four circumferential spiral channels symmetrically distributed inside a normal smooth nozzle, similar to an internal threads. The influences of this nozzle on heat transfer characteristics of impinged surface under different helix angles(0°, 15°, 30°, 45°), Reynolds numbers (6 000-30 000) and impact distances (1 to 8 times the equivalent diameter) were studied experimentally. And the heat transfer rule of the impinged surface was revealed. The experimental results indicate that a big helix angle can enhance slightly the heat transfer coefficient on the impinged surface. Compared with the conventional impinging jet from the smooth circular hole and the hole with four straight channels, the swirling impinging jets from the designed nozzles are effective to enhance the overall heat transfer coefficient on the impinged surface under the same conditions. At the impact distances of 2 times and 4 times the equivalent diameter, Nusselt numbers of the 45-degree thread hole are 7.4% and 11.4% higher than that of conventional impinging jet at the stagnation area, respectively. The heat transfer coefficient on the impinged surface is non-linearly increased with the increase of Reynolds number. The maximal value of Nusselt number under a relative large Reynolds number occurs at the location of 0.7 times the equivalent diameter outside the stagnation point. With the increase of the impact distance, the effect of the swirling flow on the target surface heat transfer is weakened or even disappeared.

swirling impinging jets; impingement cooling; uniformity of heat transfer;

2017-05-08。 作者簡(jiǎn)介: 蘭進(jìn)(1987—),男,碩士生;徐亮(通信作者),男,副教授。 基金項(xiàng)目: 陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015JQ5126)。

時(shí)間: 2017-10-18

網(wǎng)絡(luò)出版地址: http:∥kns.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20171018.1635.014.html

10.7652/xjtuxb201801002

TK124

A

0253-987X(2018)01-0008-06

(編輯 荊樹(shù)蓉)