撞擊射流傳熱是一種很常見的現象比如建築火災中的頂棚射流在天花板的傳熱，工業上用來乾燥紙張以及航空航天中固體火箭利用高溫高壓的氣流撞擊來點火等。
射流撞擊問題，無論在實驗、理論還是數值模擬方面都是一個難點、熱點，而且對冪律型非牛頓流體射流撞擊形成液膜的破碎研究還不成熟、不完善，還沒有從理論上得到射流參數與射流破碎特徵之間的關係和規律。因此從實驗、理論和數值模擬相結合的角度出發，研究射流撞擊參數對射流破碎特徵之間關係和規律變化，是深入研究射流撞擊液膜破碎機理的所必須的。
基本介紹
- 中文名：撞擊射流
- 外文名：impinging jet
- 學科：航空航天
- 類型：飛行術語
- 現象：撞擊射流可以形成平面液膜
- 研究現狀：尚不成熟
簡介,實驗研究,理論研究,數值模擬研究,
簡介
撞擊射流傳熱是一種很常見的現象比如建築火災中的頂棚射流在天花板的傳熱，工業上用來乾燥紙張以及航空航天中固體火箭利用高溫高壓的氣流撞擊來點火等。
從另一個完全不同的角度來看，撞擊射流也是一個讓人感興趣的問題沿壁面的剪下流動的湍流和傳熱模型經過多年的發展已比較令人滿意了。這類流動的計算機數值模擬也有許多經典的實驗數據供參考。但是，對於流動方向強烈受到邊界條件影響的流動，比如沿突擴通道或有堵塞物的流動，數值結果往往不好。因此有關的理論模型就需要可靠的實驗數據來檢驗和修正而撞擊射流實驗用來檢驗有回流等理論模型相對簡單，並且同沿平板的剪下流動相比在許多方面有明顯的不同和顯著的優點。如在射流對稱軸附近，湍流能量的產生主要來自卷吸，而沿平板流動的湍流能量產生靠剪下作用;撞擊射流垂直於平板的速度脈動值比平行於平板方向的要大，而沿平板流動時，垂直於板的脈動速度則小於其它方向;撞擊射流湍流能量向滯止點的對流輸運非常重要，不能忽略，而沿平板的流動則可忽略對流輸運影響，因為產生與耗散大致平衡，互相抵消。
實驗研究
1833年Savart首先發現撞擊射流形成平面液膜的現象。Heidmann、Dombrowski等通過對水撞擊液膜射流破碎的實驗研究發現，射流的流動狀態，如層流或湍流，會對液膜的發展破碎造成重要影響，並且發現表面的波狀擾動是導致液膜發展破碎的重要原因。Lai等通過水的對稱撞擊液膜射流圖像分析得到了液膜空間尺度的變化規律。他們發現液膜的最大長度和最大寬度隨著速度的增加，以速度的二次函式的形式增大;在撞擊角度一定時，液膜最大長度和最大寬度的比值是定值，與射流的速度無關。Huang等通過實驗和分析得出液膜的無量綱破碎長度隨We變化的關係，當100< We<500時，無量綱的破碎長度隨We的增大而增大;當We > 2000時，無量綱的破碎長度隨We的增加而減小。500 < We <2000為過渡階段，並且800 < We < 1000時破碎長度最大。伊吉明等利用三維相位都卜勒技術對撞擊水射流在不同條件下破碎模式及破碎速度場、粒度分布規律做了聯合測量。
對於冪律流體方面，Chojnacki等通過實驗分析了撞擊式射流的液膜形成特性。Kampen對牛頓流體與冪律流體撞擊射流液膜的破碎模式做了詳細的對比和總結，他們發現冪律流體黏度越高液膜越難以破碎。Jayaprakash等研究了一種由煤油和鋁粒子組成的冪律流體的霧化特性，發現在撞擊夾角為50°和60°時，隨噴射壓力增加，破碎長度明顯減小。Baek等對水、冪律流體和摻入納米微粒的冪律流體的破碎模式、破碎長度等破碎特徵做了對比研究，結果表明三者的霧化特性明顯不同，特別是在低速狀態下，摻入納米微粒的冪律流體由於納米微粒的摻入增加了撞擊動能，使其破碎長度比純冪律流體小一些。研究發現，通過向撞擊流體中添加一定的納米微粒來改變流體的物性參數，可以改善射流撞擊後液膜破碎霧化的效果，進而增加噴霧的燃燒效率。
理論研究
射流撞擊破碎的理論方面，Hasson和Peck以及Ibrahim和Przekwas通過模型簡化，推導出了低速條件下無黏流體射流撞擊液膜的“橢圓形模型”和“樹葉形模型”的理論公式。Ri又在這兩種理論模型的基礎上推導出了低速條件下液膜的破碎長度和破碎寬度，並與實驗結果對比偏差不大。但是在高速條件下，至今還沒有推導出液膜的尺寸及破碎模型。
對高速條件下的射流破碎問題，目前用的最多的是線性穩定性分析方法。對不同射流條件下的流體力學控制方程和邊界條件進行分析，得到相應的色散方程。由於色散方程的複雜性，我們需要用數值解法對其進行求解，進而得到擾動增長率同波數的關係，再通過相應的計算得出射流破碎的破碎長度和液滴直徑等信息。這些信息都對燃燒室內噴霧的燃燒效率有重要的影響。
在假定液膜厚度是常數和非黏的情況下，Squire等利用穩定性分析理論，得出反對稱模式下的色散關係，但忽略了從液絲上面斷落下來的液滴。Liu分析了黏彈性流體的液膜破碎情況，發現在對稱模式和反對稱模式下，黏彈性流體液膜的表面波增長率要大於牛頓流體。Yang在Chojnacki和Feikema線性穩定性理論基礎上分析了冪律流體液膜的色散關係，通過修正參數，推導出破碎長度和不穩定波長的計算公式，並與實驗數據做了對比，一致性很好。
Anderson等和Ryan等發現在表面波的波數預測方面，當液膜厚度和射流速度增加時，無黏模型和有黏膜型的差別開始增大，然而在最大擾動增長率方面，兩者之間幾乎沒有差別。由於冪律流體流變特性以及通過穩定性分析得到的色散方程的複雜性，對於冪律型非牛頓流體射流撞擊液膜的破碎機理及特徵方面的研究還很不完善，尚未取得突破性的進展。
數值模擬研究
計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）是利用計算機對傳熱、傳質、動量傳遞及燃燒等物理現象的系統模型所做的仿真分析。CFD是涉及到計算機科學、流體力學、計算幾何、數值分析、偏微分方程的數學理論等學科的多領域交叉學科。其基本思想可以描述為：用一系列有限離散點上的變數值的集合，來代替原來在空間域和時間域上各種物理量的連續場（速度場、壓力場、溫度場等），在一定的原則和方式下，將這些離散點上場變數之間關係的代數方程組建立起來，然後求解這些代數方程組得到場變數的近似值。
CFD實際上是在流體力學基本控制方程（質量守恆方程、動量守恆方程、能量守恆方程）控制下，對流場的數值模擬。通過數值模擬分析，得到流場內不同時間的所有位置詳細的物理量信息（如壓力、速度、溫度、濃度等），並且通過這些信息可以計算得到其他物理量，如湍動能、壁面剪下力、熱輻射強度、流動效率、旋轉式流體機械的轉矩等。
CFD提供了一種研究流體流動問題的新方法，是對理論分析和實驗測量方法很好的促進和補充。這三種方法構成了近代流體動力學的完整研究體系。對實驗測量得到的可靠數據加以整理總結，再結合理論基礎進行有目的性的分析，提煉出一類問題的理論本質，這些也是驗證CFD正確與否的唯一標準，實驗在整個體系中起到了關鍵性的作用。但由於實驗測量方法的局限性，如測量精度，環境干擾，模型尺寸和各種超高溫、高壓等實驗條件的影響等，造成實驗的經濟和時間成本相對較高，CFD在實驗難以達到要求或很艱難進行的時候，可以簡化甚至代替實驗，來節約實驗成本和時間。CFD在某種意義上說，是一種數值試驗。在特定的條件下，可以用這些數值試驗結合理論研究和實驗測量，對科學問題進行更為全面和準確的量化分析和機理研究。未來的流體力學的發展也將建立在這三種方法協調平衡之上。
由於近幾十年計算機技術的高速發展，超級計算機的大規模套用，帶動了計算流體動力學的發展，各種CFD仿真軟體的開發、計算方法的不斷改進，對射流撞擊問題的數值模擬研究也有了比較大的進展。而多相流仿真問題一直以來都是計算流體動力學問題中的難點，在加上射流撞擊後，流體流變特性的複雜性，給射流撞擊問題的仿真模擬帶來很多困難。
Ma通過八叉樹自適應格線加密技術，利用流體體積分數（volume of fluid，即VOF方法）界面捕捉方法計算了射流撞擊液膜破碎霧化特徵。得到了牛頓流體和非牛頓流體撞擊破碎的不同破碎模式，並與實驗結果有較好的一致性。Chen等用同樣的方法，通過對比不同的格線加密精度，得到了效果更好的射流破碎特徵：一定雷諾數和韋伯數範圍內與實驗十分相似的射流撞擊液膜在時間和空間的發展變化，包括射流撞擊形成的液膜、液膜發展和破碎、形成的液線狀結構和霧化液滴，並對這些破碎模式進行了歸類劃分。研究還結合在射流撞擊點處不同位置的速度分析，提出了射流撞擊初級霧化新的理解。
綜上所述，射流撞擊問題，無論在實驗、理論還是數值模擬方面都是一個難點、熱點，而且對冪律型非牛頓流體射流撞擊形成液膜的破碎研究還不成熟、不完善，還沒有從理論上得到射流參數與射流破碎特徵之間的關係和規律。因此從實驗、理論和數值模擬相結合的角度出發，研究射流撞擊參數對射流破碎特徵之間關係和規律變化，是深入研究射流撞擊液膜破碎機理的所必須的，李建軍通過實驗的方法，以三種流體為研究對象，研究了各因素對對稱及非對稱撞擊射流液膜破碎的影響規律。
