渦輪機匣彎曲靶面沖擊射流換熱特性研究

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.中國航空工業(yè)集團中國航發(fā)湖南航空動力機械研究所，湖南株洲 412002）

渦輪機匣是冷卻氣體流通的通道，同時也是發(fā)動機極為重要的承力結(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度最高。沖擊射流具備高強度換熱的特性，多數(shù)研究被用于渦輪葉片的熱防護［1］。

Florschuetz L W 等［2-4］發(fā) 現(xiàn) 沖 擊 間 距 在（H／d＝1～3）對平均Nu的影響不明顯，但對平均值影響不大；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］針對半封閉通道下沖擊換熱進行實驗，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龋?］發(fā)現(xiàn)以滯止區(qū)域為分界，在其射流來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)簡化為水平短直管垂直沖擊光滑靶面模型，得到其對壓損和換熱的影響。麻麗春［8］發(fā)現(xiàn)渦輪機匣結(jié)構(gòu)特征和出流孔的形狀會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］等對直徑為0.5和0.25 mm的沖擊射流進行數(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，換熱系數(shù)提高了34.3%。

近來，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］研究了橫流對沖擊冷卻效果的影響，表明橫流可以增強沖擊換熱效果。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］對翼前緣凹面上的兩排對準(zhǔn)射流孔的傳熱特性進行了廣泛的實驗研究。研究結(jié)果表明：兩排噴射孔的射流沖擊停滯點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時最好。Yan JK等［18］研究橢圓形翅片陣列射流沖擊傳熱特性時，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的過冷卻下評估了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，大多是針對平板沖擊換熱開展，研究方法大多是通過紅外成像、熱色液晶觀察表面的溫度分布。而對于彎曲靶面的研究并不多見，本文針對彎曲靶面，徑向進氣，無法采用紅外成像方式測量，即采用全面布置密集熱電偶的測量手段，對以駐點為中心靶板所有區(qū)域進行細致測溫，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。在本實驗中，試驗件維持原有機匣形貌取周期段，進行研究也是本試驗的特色之一。

1 試驗系統(tǒng)以及試驗件

1.1 試驗系統(tǒng)

發(fā)動機渦輪機匣局部模型如圖1所示，機匣內(nèi)壁面承受著來自渦輪葉柵中燃氣的沖刷以及燃氣經(jīng)由渦輪導(dǎo)葉帶來的高額熱量傳遞，防止其因為過高的熱量傳導(dǎo)引發(fā)結(jié)構(gòu)問題。

圖1 機匣模型

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

圖2 沖擊模型

圖3所示試驗系統(tǒng)中，一臺5 m3／min的空壓機提供主流，1 000 L／min的質(zhì)量流量控制器測量主流流量，橫流測量使用200 L／min的流量計；采用K型熱電偶（精度±0.1℃）測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，厚度約為0.015 mm，JP對試驗中流動過程干擾影響小。

圖3 測試系統(tǒng)圖

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

圖4 試驗臺徑向剖視圖

圖5 溫度測量圖

圖6為沖擊孔位置以及測點位置的分布，為了避免因為在周向上的由于被堵住，在靠近周向端面附近靶板壁面，不能完全展示在整環(huán)上的周向流動影響下的壁面換熱情況，將沖擊靶板面中軸線兩邊各一半的區(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列特征線組，分別為r-1～r-25，在y方向上12行特征線組，分別為l-1～l-12，總共300個測點，由這300個測點形成組成弧長為113 mm、寬50 mm的弧面，在y方向上特征線之間的距離為4 mm，即每4 mm均布一根熱電偶，在x方向上每隔4.5 mm均布一個測點位置，將靶面區(qū)域再抽取出單個周期沖擊區(qū)。在此區(qū)域中，特征線的沖擊駐點位置隨沖擊孔周向沖擊角，沖擊孔的排數(shù)的不同，沖擊的駐點區(qū)域也會有相應(yīng)的不同。在后續(xù)的結(jié)論分析過程中，將采用x方向和y方向特征線上的局部Nu對換熱機理進行分析。

圖6 溫度測量矩陣示意圖

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展示的試驗臺照片，試驗段采用有機玻璃加工，弧形靶板布置K型熱電偶，靶板面每一個測點的溫度需要在同一時刻被記錄下來。

圖8 試驗臺照片

1.2 試驗件與試驗工況

表1展示了9種試驗結(jié)構(gòu)，分別研究了3種相對沖擊間距（H／d）、3種沖擊角度（β）、3種沖擊孔周向角（α）和3類沖擊孔排數(shù)、4種不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)下對于曲面靶板表面對流換熱分布的影響，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種試驗結(jié)構(gòu)，對于多排孔結(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為試驗工況，設(shè)置6個入口流量參數(shù)試驗點。在研究有初始橫流情況對于沖擊靶面換熱的影響時選擇模型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號測試點作為基礎(chǔ)，每組測試點增加3組橫流比。

表2 試驗條件

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定義為穿過曲面靶面的當(dāng)量流量m，選取周期靶面弧線長度l作為特征長度，即A0為曲面靶面的面積，μ為主流氣流動力黏度。

發(fā)熱膜發(fā)熱量來源于直流穩(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）。

試驗件所采用的材料并不是嚴(yán)格絕熱材料，故實驗過程中會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：

試驗中，弧形沖擊靶板外表面周向均勻粘貼4個鉑電阻測量壁溫，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 試驗結(jié)果分析

3.1 典型結(jié)構(gòu)下，Rej對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)和無初始橫流的實驗條件下，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換熱區(qū)，并且隨著成Re的增大，沖擊駐點的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特征線上，其局部的Nu呈現(xiàn)出波峰與波谷交替存在，波峰位置對應(yīng)沖擊駐點而波谷對應(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特征線上局部Nu也在增大，在r-8特征線和r-17特征線的位置出現(xiàn)2個明顯的峰值，因為沖擊射流滯止區(qū)速度邊界層與溫度邊界層未經(jīng)過充分發(fā)展，厚度薄，另一方面是射流束核心區(qū)域攜帶高動量流體，擾動劇烈，增強了滯止區(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，射流動能降低，射流強度在逐漸降低，故其換熱能力下降，即曲線上Nu波峰到波谷的交替變化。

同樣的工況下，l-3特征線和l-6特征線上的局部Nu分布，l-6特征線穿過沖擊駐點，而l-3特征線在偏離l-6特征線左邊13.5d的位置。通過2幅曲線圖的對比，穿過沖擊駐點局部Nu曲線波峰和波谷相差較大，而l-3特征線的波峰和波谷相差較小，曲線相對平緩，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 相對沖擊間距H／d對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）時靶板上的Nu云圖。不同沖擊間距之間對應(yīng)的云圖中，換熱效果的分布趨勢整體一致，沖擊孔下方的駐點區(qū)域形成了明顯的由中心向四周擴散的圓形。當(dāng)相對沖擊間距為3時，其在所有云圖中處在最高水平，并且隨著相對沖擊間距的逐步增大，其換熱效果會更加均勻。

相對沖擊間距最小時，沖擊射流束核心射流區(qū)直接沖擊到壁面上，駐點上具有強對流換熱效果，射流受到?jīng)_擊腔上下壁面的夾持，由于氣流具有黏性，沖擊氣流的動能迅速被耗散成小尺度湍流渦，致使氣流貼壁擴散動能和距離減小，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，射流到達壁面的流動時間同時也增大了，但貼壁射流區(qū)與上下壁面之間動能損失減少，能夠使沖擊氣膜流動距離更遠，覆蓋更多的面積，雖然駐點區(qū)射流強度比小相對沖擊間距時要小，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，l-6特征線上的局部Nu對比?？梢詮那€圖上明顯看出每條曲線呈現(xiàn)出典型沖擊射流形成的波峰波谷的曲線結(jié)構(gòu)，波峰位置對應(yīng)的是沖擊駐點下的局部Nu，波谷位置為相鄰兩束沖擊射流影響較小的地方。通過3種相對沖擊間距的局部Nu比較，在r-8和r-17特征線附近，相對沖擊間距越小，局部Nu越大，而在其他區(qū)域位置內(nèi)，相對沖擊高度越大，換熱越好，這是因為在沖擊腔內(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能降低，沖擊腔的上下壁面對流流動有黏性阻力，阻礙貼壁射流的流動。且相對沖擊間距越小，沖擊腔高度越低，向上卷起的射流會更快地沖擊到上壁面，在氣流黏性的作用下，氣流動能很快被耗散掉，流速降低，換熱降低。所以在遠離駐點位置區(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線的Nu數(shù)

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

圖13 不同相對沖擊間距之間的平均Nu數(shù)

3.3 沖擊角度β對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，并且沖擊駐點區(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，由于在相同相對沖擊間距下（H／d＝6）下射流到壁面的行程相比沖擊角度β＝75°和β＝90°時更長，故射流到達壁面行程沖擊所需要的時間就會加長，并且沖擊射流是呈錐狀擴張的，即核心射流區(qū)到達壁面的強度也會降低，致使換熱效果進一步降低。且?guī)в行毕蚪嵌鹊臎_擊射流也會導(dǎo)致沖擊氣流沖擊到靶板面上時并沒有像正對沖擊一樣射流沿四周散開，而是沿靶板壁面某一方向有橫向流動的趨勢，從而進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，l-6特征線左邊區(qū)域幾乎沒有受到?jīng)_擊的影響，呈現(xiàn)出高溫區(qū)域，只有沖擊駐點區(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特征線上的局部Nu對比曲線。y方向上，分別在曲線圖中①、②、③處存在峰值，因為r-8特征線經(jīng)過的是沖擊駐點區(qū)域，即其所在峰值位置，每一種沖擊角度β對應(yīng)的峰值位置不一樣，隨沖擊角度的減小，其沖擊位置會向側(cè)壁面移動，在曲線上表現(xiàn)出來就是峰值向y軸正向移動。因為射流行程變長，核心射流區(qū)在流動過程中逐漸增大，但其強度逐漸減弱，當(dāng)其沖擊到靶板時換熱能力相比正對沖擊時已大大降低，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，而是沿著沖擊方向單向貼壁，且氣流具有動量，所以曲線圖上表現(xiàn)出來的峰值逐漸降低。由于斜向沖擊的單向貼壁射流換熱能力仍然很強，故每條曲線峰值右側(cè)比左側(cè)的換熱系數(shù)要大，也正是由于這個原因，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)出來即駐點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，但同時也注意到，在相同的沖擊Rej下，沖擊角度β＝90°時最大，β＝75°時次之，β＝45°時最小，故換熱效果是當(dāng)沖擊孔垂直壁面沖擊時靶板面會有更好的換熱效果。

3.4 沖擊孔周向角α對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）

通過對比可以發(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，沖擊靶板壁面存在更大的溫度梯度。

值得注意的是，由于試驗件上側(cè)進氣，進氣下方是弧形沖擊板，所有沖擊孔中線方向與進氣方向并不一致，主流流到?jīng)_擊靶面上時在弧形板的分流作用下，氣流會向兩邊分開流動。從駐點位置Nu區(qū)域的大小可以看出：此時，沿周向上會有流動的不均勻性，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，不同沖擊孔周向角α下l-6特征線上Nu分布曲線。從曲線上可以看出：3條曲線都呈存在波峰和波谷交替，α越小，所對應(yīng)的曲線出現(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也會越多，從而換熱較強的區(qū)域就會更多；反之，α越大，曲線的波峰數(shù)量也就會越少。當(dāng)α＝5°時，曲線上的峰谷之差小于α＝7.5°時的曲線，當(dāng)α＝15°時，峰谷差值最大。這是因為α越小，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)域換熱會也得到相應(yīng)的強化。

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α下，面平均Nu增大趨勢明顯，α＝5°時，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的降低而帶來的Nu被削弱，α變小而導(dǎo)致的孔數(shù)增多，其帶來的相鄰兩束射流之間的氣流摻混卷吸作用對于壁面的換熱增強，后者更具有優(yōu)勢，所以可以看到在氣流量并沒有變化的情況下，α的增大對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 Nu的影響

圖20中，沖擊孔周向角α＝15°時，沖擊角度β＝90°的實驗結(jié)構(gòu)下的實驗結(jié)果，因任意主流Rej下靶板面上的Nu云圖分布一致，所以僅展示Rej＝2 399時，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，沖擊駐點處Nu同時也在增大，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特征線上的Nu分布曲線。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，因為l-3線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，l-6線上的局部 Nu，其局部的Nu在橫流比為0.2時最大，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

在實際各種因素的影響下，試驗過程中必然存在誤差，在正確的測量結(jié)果中是不允許粗差存在的，所以要估計的實驗數(shù)據(jù)誤差只有系統(tǒng)誤差和隨機誤差兩類［22］。

根據(jù)誤差傳遞理論，含個獨立變量的函數(shù)的誤差為：

式中，Δx1，Δx2，…，Δxn分別為獨立變量 x1，x2，…，xn的絕對誤差。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。如果試驗在2 min之內(nèi)，壁面溫度變化趨于穩(wěn)定，同接觸點位置對應(yīng)的加熱膜上的真實溫度的誤差為0.3℃；熱電偶測溫精度為 ±1℃，ΔTw＝0.9℃，ΔTj＝1℃。

Re越小其誤差越大，因此對最小Re進行分析。此工況下 Tw＝38.9℃、Tj＝26.5℃，實驗中的電流、電壓通過萬用電表測量，其精確度在±1%以內(nèi)，將實驗中所測得的各個數(shù)據(jù)代入式（8），得Nu最大誤差不超過12.3%。

5 結(jié)論

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

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

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流換熱系數(shù)，且隨初始橫流比的增大而增大。