方元祺, 李 林 , 鐘 亮, 俞 瑜, 蔡國(guó)漢, 陳愷熙, 陳 蛟, 王高峰,*

(1. 浙江大學(xué) 航空航天學(xué)院, 杭州 310027; 2. 浙江省健康智慧廚房系統(tǒng)集成重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 浙江 寧波 315336)

0 引 言

沖擊射流，由于其流程短，且在沖擊滯止區(qū)附近形成很薄的邊界層，具有極高的傳熱效率，有著大量的工業(yè)應(yīng)用。例如，氣態(tài)工質(zhì)沖擊射流主要包括兩類(lèi)形式[1]：(1)沖擊空氣射流，常用于冷卻和干燥領(lǐng)域，如燃?xì)廨啓C(jī)葉片和燃燒室外壁面冷卻、MEMS器件冷卻、造紙食品等領(lǐng)域的干燥等；(2)沖擊射流火焰，常用于加熱，如金屬、玻璃材料的加工熱處理等。沖擊射流的影響因素主要包括雷諾數(shù)Re、無(wú)因次沖擊距離H/D、噴口幾何形狀與尺寸、噴嘴數(shù)目與布置及沖擊角度等；而對(duì)于涉及燃燒的沖擊射流火焰，燃料氣體及當(dāng)量比等因素也會(huì)對(duì)流場(chǎng)和傳熱過(guò)程產(chǎn)生影響[2-3]。

由于工程應(yīng)用廣泛，前人針對(duì)沖擊射流的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和傳熱特性開(kāi)展了大量研究[4-6]。根據(jù)場(chǎng)協(xié)同理論[7]，流場(chǎng)方向與溫度梯度方向之間的協(xié)同程度對(duì)傳熱效率有著重要的作用和影響，只有沖擊射流方向與傳熱方向一致，才能具有最佳協(xié)同度。沖擊射流的流場(chǎng)動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)研究一直是個(gè)研究熱點(diǎn)，但目前尚沒(méi)有合適的湍流模型[8-10]能夠?qū)ζ溥M(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，主要還是依賴(lài)實(shí)驗(yàn)手段。徐驚雷等[11]使用熱線風(fēng)速儀(HWA)研究了雷諾數(shù)對(duì)沖擊射流流場(chǎng)的影響規(guī)律。熊霏等[12]使用粒子圖像測(cè)速技術(shù)(PIV)研究了不同沖擊距離和壓比下空氣沖擊射流的流場(chǎng)分布。陳慶光等[13]則利用PIV技術(shù)對(duì)矩形管?chē)娮斓臎_擊射流進(jìn)行了測(cè)量，得到了主射流區(qū)和沖擊區(qū)附近測(cè)量截面上的平均速度和渦量分布。姚朝暉等[14]對(duì)超聲速?zèng)_擊射流的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和渦結(jié)構(gòu)進(jìn)行了PIV測(cè)量嘗試。從相關(guān)文獻(xiàn)來(lái)看，沖擊射流研究主要集中在冷態(tài)流場(chǎng)，測(cè)量手段主要是HWA和PIV，而針對(duì)沖擊射流火焰的熱態(tài)流場(chǎng)測(cè)量還開(kāi)展得比較少。

沖擊射流火焰的相關(guān)研究表明：沖擊射流火焰與等溫沖擊射流的空氣動(dòng)力學(xué)特性是相近的，即有火焰和無(wú)火焰這兩種沖擊射流形式的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)有較大的相似性。Milson等[15]發(fā)現(xiàn)兩者的壓力分布和軸線上的速度變化非常相似，Meer等[16]的實(shí)驗(yàn)也展示了這種相似性，稍有不同的是后者的結(jié)果表明：火焰沖擊射流軸線上的速度衰減要稍快于冷態(tài)的情形，其差異與火焰沖擊射流中反應(yīng)區(qū)的存在和射流火焰的溫度梯度有關(guān)。在Kadam等[1]的研究中，通過(guò)整理對(duì)比文獻(xiàn)報(bào)道中不同無(wú)因次沖擊距離H/D和雷諾數(shù)下的沖擊射流火焰、空氣沖擊射流的努塞爾數(shù)分布實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并結(jié)合CFD數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)射流速度在燃燒后增大，且傳熱加強(qiáng)，特別是在小沖擊距離(H/D=2)工況下極為顯著；在H/D=4和6工況下，駐點(diǎn)區(qū)附近的努塞爾數(shù)基本相同，而在駐點(diǎn)區(qū)之外，沖擊射流火焰的努塞爾數(shù)更高。Chander等[17]的研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)火焰反應(yīng)區(qū)剛接觸沖擊壁面時(shí)，出現(xiàn)傳熱量峰值，并對(duì)應(yīng)著較高的軸向溫度梯度、軸向和徑向速度梯度。這需要進(jìn)一步深入研究不同參數(shù)對(duì)沖擊火焰射流流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和傳熱性能造成的影響[18-19]。

O’Donovan等[20-21]通過(guò)激光多普勒測(cè)速技術(shù)(LDV)對(duì)沖擊射流進(jìn)行了研究，結(jié)果表明垂直于壁面的速度脈動(dòng)對(duì)傳熱的影響大于平行于壁面的速度脈動(dòng)，并在Goldstein等[22]的研究基礎(chǔ)上進(jìn)一步揭示了在較小無(wú)因次沖擊距離下傳熱分布出現(xiàn)除駐點(diǎn)外的第二次峰值的機(jī)理[23]。過(guò)增元[7]曾指出這種局部傳熱強(qiáng)化現(xiàn)象是由于射流工質(zhì)在壁面射流區(qū)的流動(dòng)邊界層發(fā)生層流向湍流的轉(zhuǎn)變?cè)斐傻?。Chander等[17]在火焰沖擊射流的實(shí)驗(yàn)中，也發(fā)現(xiàn)在一定噴口直徑和火焰功率下出現(xiàn)了駐點(diǎn)外峰值傳熱量分布。

沖擊射流駐點(diǎn)外強(qiáng)化傳熱峰值的作用機(jī)理是當(dāng)前的一個(gè)研究熱點(diǎn)，普遍認(rèn)為其與流場(chǎng)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。因此，對(duì)其作用機(jī)理的認(rèn)識(shí)，首先依賴(lài)于對(duì)壁面附近流場(chǎng)特性的把握。激光多普勒測(cè)速(LDV)方法具有很高的空間分辨率，比PIV技術(shù)更適用于近壁面流場(chǎng)的高精度測(cè)量。同時(shí)，沖擊射流火焰與自由射流火焰[24-26]工況的對(duì)比[27-28]，有利于加強(qiáng)對(duì)沖擊射流火焰流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和換熱機(jī)理的認(rèn)識(shí)。為此，本文發(fā)展了一套沖擊射流火焰的實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)，采用LDV技術(shù)測(cè)量單孔噴嘴、同軸噴嘴在兩種功率工況下的多點(diǎn)速度信息，實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)重建，對(duì)比研究自由射流和沖擊射流兩種模式下的火焰流場(chǎng)特征。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)量方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1給出了實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由射流火焰平臺(tái)、沖擊板、固態(tài)粒子發(fā)生器、燃料供給、LDV、三維精密坐標(biāo)架和計(jì)算機(jī)測(cè)控終端組成。實(shí)驗(yàn)所用氣態(tài)燃料為液化石油氣LPG，通過(guò)低壓減壓閥穩(wěn)壓后送入燃燒器管路，并通過(guò)文氏引射器卷吸作用與空氣預(yù)混后，送入射流噴嘴進(jìn)行燃燒，預(yù)混氣過(guò)量空氣系數(shù)設(shè)計(jì)為0.7。

射流火焰噴嘴及沖擊壁面處的幾何尺寸如圖2所示。燃燒器分內(nèi)外兩級(jí)(同軸多級(jí)的火焰噴嘴設(shè)計(jì)[29]，是一種應(yīng)用較廣的分級(jí)調(diào)節(jié)傳熱強(qiáng)度的方式)，內(nèi)部圓形噴嘴直徑D1=11mm，外部環(huán)形噴嘴的外徑D2=33mm、內(nèi)徑D3=14mm，火焰射流的沖擊距離H=20mm，如圖2所示，建立軸向(z軸)和徑向(r軸)二維正交坐標(biāo)系。實(shí)驗(yàn)所用的沖擊平板為直徑380mm平底標(biāo)準(zhǔn)鍋底面，材料為表面發(fā)黑處理的金屬鋁。在研究沖擊射流火焰工況時(shí)，平底標(biāo)準(zhǔn)鍋置放于射流火焰出口高度H=20mm的位置，即無(wú)因次沖擊距離H/D=1.82(D取D1=11mm)。在測(cè)量過(guò)程中，標(biāo)準(zhǔn)鍋內(nèi)盛1/2高度的水且處于沸騰狀態(tài)，保持沖擊壁面溫度為100℃左右。沖擊平板可以方便移除，以研究自由射流火焰特征。

圖1 沖擊射流火焰流場(chǎng)LDV測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖Fig.1 Setup of LDV experimental platform for vertical flow burner

圖2 噴口與沖擊壁面尺寸示意圖Fig.2 Schematic diagram of exit nozzle and impinging wall

MSE mini LDV系統(tǒng)的激光探頭(光學(xué)發(fā)射/接收集成裝置)被安置在三維電控位移裝置上，以實(shí)現(xiàn)對(duì)火焰速度的多點(diǎn)精細(xì)掃描測(cè)量。測(cè)量信號(hào)處理與位移控制在計(jì)算機(jī)終端上進(jìn)行。為了在測(cè)量過(guò)程中進(jìn)行流場(chǎng)示蹤，研制了旋流流化床固體粒子發(fā)生器[30](見(jiàn)圖3)，使示蹤粒子變成氣溶膠，送入射流火焰實(shí)驗(yàn)平臺(tái)腔體內(nèi)的空氣中進(jìn)行內(nèi)循環(huán)，并在引射器處隨空氣卷吸進(jìn)入預(yù)混管道流動(dòng)，通過(guò)噴嘴進(jìn)入射流火焰。射流火焰平臺(tái)被安置于有機(jī)玻璃制成的防護(hù)罩中，確保粒子在防護(hù)罩中由吸塵裝置進(jìn)行回收處理。這樣，粒子加注裝置避免了對(duì)原有射流火焰平臺(tái)結(jié)構(gòu)的改動(dòng)，并在粒子加注和回收過(guò)程中盡可能地減少對(duì)原流場(chǎng)的干擾，使測(cè)量結(jié)果真實(shí)反映流場(chǎng)特性。實(shí)驗(yàn)流場(chǎng)測(cè)量所需的特定濃度和流量的示蹤粒子流可通過(guò)粒子發(fā)生器的分流閥門(mén)方便調(diào)節(jié)。

圖3 旋流流化床固體粒子發(fā)生器示意圖

Fig.3Schematicdiagramofafluidized-bedsolidparticlegeneratorwithswirlingflow

1.2 測(cè)量工況

實(shí)驗(yàn)研究了4個(gè)工況的火焰，分別為：自由射流狀態(tài)下的小功率工況Case-L和大功率工況Case-H；沖擊射流火焰狀態(tài)下的小功率火焰工況Case-LP和大功率火焰工況Case-HP，工況參數(shù)見(jiàn)表1。其中，小功率和大功率火焰分別對(duì)應(yīng)單孔和同軸噴嘴兩種情形。

圖4展示了不同工況下火焰形態(tài)的可見(jiàn)光照片。可以看到，由于噴嘴出口處的混合氣體處于富燃料狀態(tài)，燃燒分為兩個(gè)階段：第一階段是以較少的空氣量(過(guò)量空氣系數(shù)0.7)發(fā)生燃燒(可以有效降低火焰NOx排放)；第二階段是與大氣發(fā)生二次空氣反應(yīng)，進(jìn)行充分燃燒。在有示蹤粒子的情況下，火焰發(fā)生焰色反應(yīng)，但是火焰結(jié)構(gòu)沒(méi)有明顯變化。

表1 4種測(cè)量工況的實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 1 Parameters of four cases

圖4 4種測(cè)量工況對(duì)應(yīng)的火焰形態(tài)Fig.4 Photographs of LPG/air flames

1.3 測(cè)試手段

LDV方法通過(guò)測(cè)量經(jīng)過(guò)激光探頭的示蹤粒子的多普勒頻移信號(hào)，由速度與多普勒頻率的關(guān)系，處理得到探頭處流場(chǎng)的流速[31]，具有非接觸、空間分辨率極高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、量程大、測(cè)量速度方向的靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，其測(cè)速精度不受流體的溫度、壓強(qiáng)的影響，適用于火焰流場(chǎng)的測(cè)量。實(shí)驗(yàn)采用MSE mini LDV激光多普勒測(cè)速儀，以差動(dòng)型后向散射的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)量誤差理論值小于0.3%。通過(guò)位移機(jī)構(gòu)與處理軟件的精確同步，可進(jìn)行多個(gè)空間點(diǎn)的速度測(cè)量，從而獲取流場(chǎng)全面信息。圖5是小功率自由射流火焰流場(chǎng)LDV測(cè)量的現(xiàn)場(chǎng)圖片。由于激光在散布粒子的測(cè)量空間中散射，圖中可以看到兩條紅色激光的光路，其相交于火焰中的測(cè)量點(diǎn)。示蹤粒子經(jīng)過(guò)該點(diǎn)時(shí)，使散射光發(fā)生多普勒頻移，利用頻移量與運(yùn)動(dòng)速度、入射光和速度方向夾角之間的關(guān)系，便可測(cè)量該點(diǎn)的速度值。測(cè)量點(diǎn)的位置由精密三維電控位移裝置進(jìn)行調(diào)整，位移量控制精度為0.01mm。由于所選用LDV光路的特點(diǎn)，在近壁面區(qū)域存在測(cè)量豎直方向速度分量的盲區(qū)，因此測(cè)量點(diǎn)的選取限于離開(kāi)噴嘴出口和壁面各2～3mm的區(qū)域。

圖5 火焰流場(chǎng)LDV測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.5 LDV measurements for flame flow

示蹤粒子的選擇在很大程度上決定了測(cè)量的有效性和準(zhǔn)確性：(1) 粒子應(yīng)該足夠小以確保跟隨性，并在火焰溫度下保持粒子特性；(2) 注入的粒子需要在測(cè)量區(qū)域散布均勻且有合適濃度，粒子需呈近似球形且粒徑足夠大，以散射足夠強(qiáng)度的干涉光，被光信號(hào)收集儀器捕捉；(3) 與一般冷態(tài)流場(chǎng)測(cè)量不同，火焰本身存在較大的自發(fā)光，使LDV干涉光信號(hào)的收集受到較大環(huán)境光噪聲的影響，需要選擇合適的信噪比閾值以保證測(cè)量準(zhǔn)確性。通過(guò)綜合分析和比較，本研究采用微米量級(jí)的固態(tài)TiO2作為示蹤粒子，顆粒直徑約5μm，熔點(diǎn)為1843℃，物性相對(duì)穩(wěn)定，不易在燃燒中發(fā)生物理和化學(xué)反應(yīng)。微米量級(jí)粒子具有較強(qiáng)跟隨性且散射光能夠讓光信號(hào)接收器有效收集。上節(jié)所述的示蹤粒子發(fā)生、加注和收集系統(tǒng)能有效實(shí)現(xiàn)對(duì)粒子合適濃度的控制，減小粒子注入過(guò)程對(duì)原流動(dòng)的干擾，并可對(duì)微米量級(jí)粒子進(jìn)行收集。

LDV技術(shù)是對(duì)經(jīng)過(guò)某個(gè)空間位置的粒子的速度數(shù)據(jù)進(jìn)行多次記錄后求均值得到平均速度，并求取均方根以得到脈動(dòng)速度。這就要求記錄的樣本要達(dá)到一定數(shù)量，才能使測(cè)量結(jié)果更具有統(tǒng)計(jì)意義。圖6給出了Case-L工況中心線上不同高度脈動(dòng)豎直速度隨樣本數(shù)的變化情況。從圖中可以看出：在樣本數(shù)較少時(shí)，脈動(dòng)速度值隨著記錄樣本數(shù)的增加而變動(dòng)，在樣本數(shù)達(dá)到約3000后基本趨于穩(wěn)定。同時(shí)，對(duì)LDV設(shè)置合適的信噪比閾值(min SNR)以有效去除環(huán)境噪聲信號(hào)影響，也是保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠的重要手段。圖7顯示了在Case-L工況下的兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)P1(0, 15)、P2(0, 60)(單位：mm)豎直方向的平均速度、脈動(dòng)速度、設(shè)置信噪比閾值后剩余的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)與最低信噪比設(shè)置之間的關(guān)系。加大信噪比閾值，剔除更多信噪比較小的數(shù)據(jù)點(diǎn)，能更好地消除噪聲樣本帶來(lái)的不確定性；但過(guò)高的信噪比閾值會(huì)使記錄的樣本數(shù)過(guò)少，造成前文所討論的不確定性。綜合這兩方面因素，數(shù)據(jù)處理時(shí)選取信噪比閾值為5，這樣就能夠在剔除低信噪比不確定性數(shù)據(jù)的同時(shí)保證足夠的樣本數(shù)目。

圖6 Case-L中心線上不同高度豎直方向脈動(dòng)速度隨樣本數(shù)的變化

Fig.6AnevaluationofthesamplinguncertaintyinthemeasurementsoftheverticalfluctuatingvelocitiesatdifferentheightsalongcenterlineinCase-L

圖7 Case-L測(cè)量點(diǎn)P1(0,15)(左)、P2(0,60)(右)豎直方向的平均速度、脈動(dòng)速度和數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)隨最低信噪比閾值的變化

Fig.7Anevaluationoftheminimumsignaltonoiseratiouncertaintyinthemeasurementsattwopoints:P1(0,15) (left)、P2(0,60) (right)inCase-L

在上述要求下，對(duì)Case-L的空間點(diǎn)P3(0, 25)、Case-H的空間點(diǎn)P4(0, 45)(單位：mm)的測(cè)量進(jìn)行重復(fù)性檢驗(yàn)。對(duì)兩點(diǎn)各進(jìn)行5次測(cè)量，由貝塞爾公式計(jì)算單次測(cè)量序列的標(biāo)準(zhǔn)差。由于測(cè)量列的測(cè)量組數(shù)較少(自由度為4)，按t分布計(jì)算極限誤差[32](取置信概率為0.95)，得到算術(shù)平均值和極限誤差，結(jié)果如表2所示。從表中可知：測(cè)量得到的平均速度的極限誤差在0.012m/s以下，其在平均值中占比小于0.4%；而脈動(dòng)速度的極限誤差在0.008m/s以下，占比小于4.2%。故在前述要求下進(jìn)行重復(fù)測(cè)量的結(jié)果具有較好的重復(fù)性，能夠有效反映火焰流場(chǎng)的速度特征。

表2 Case-L的P3(0，25)、Case-H的P4(0,45)的測(cè)量重復(fù)性檢驗(yàn)Table 2 Uncertainties in P3 (0, 25) of Case-L and P4 (0,45) of Case-H

2 測(cè)量結(jié)果及分析

2.1 噴口附近速度分布

圖8給出了實(shí)驗(yàn)測(cè)得的在最靠近噴口的高度上(與噴口相距3mm)豎直速度分量沿徑向的變化規(guī)律。需要說(shuō)明的是，在本文無(wú)量綱徑向距離r/d和無(wú)量綱軸向距離z/d的定義中，d均取為內(nèi)部單孔圓形噴嘴的直徑D1=11 mm。通過(guò)對(duì)4種工況下不同徑向測(cè)量點(diǎn)的速度進(jìn)行面積積分，可得到各工況下的體積流量Q：

圖8 4種工況下噴口附近速度沿徑向的分布(高度H=3mm)

Fig.8Meanvelocitydistributionnearnozzleinfourcases(Height=3mm)

(1)

(2)

式中，D為不同工況所對(duì)應(yīng)的噴嘴直徑。雷諾數(shù)Re由下式得出：

(3)

式中，動(dòng)力粘性系數(shù)μ在環(huán)境溫度已知時(shí)由薩特蘭公式計(jì)算得1.78×10-5Pa·s，密度ρ取1.22kg/m3。

表3給出了各工況的體積流量、平均速度和雷諾數(shù)。對(duì)于大功率火焰的兩種工況，自由火焰Case-H和沖擊火焰Case-HP的體積流量相近，且Re均大于7000。一般將Re<2500的沖擊射流的自由射流區(qū)稱(chēng)為層流射流，否則為湍流射流[5]，故大功率火焰狀態(tài)下的流態(tài)為湍流火焰射流。對(duì)于低功率工況，沖擊火焰Case-LP較自由火焰Case-L體積流量和平均速度均明顯下降。這表明在沖擊火焰工況中，沖擊平板對(duì)射流的阻滯作用對(duì)小流量射流火焰的影響較為顯著。低功率工況下，Re在1200左右，為層流火焰射流。

表3 噴嘴附近計(jì)算參數(shù)求解結(jié)果Table 3 Calculated results of parameters near nozzle

2.2 中心線速度分布

圖9、10分別顯示了4種工況下平均速度與脈動(dòng)速度沿中心線的分布情況。由圖9中的平均速度發(fā)展曲線，可以較清晰地看到在大功率火焰自由射流工況下流速先不斷增大后逐漸減小的過(guò)程，這是因?yàn)槿紵尫诺臒崃科鸬搅思铀僮饔茫笥衷谕獠凯h(huán)境流體間的剪切作用下耗散而減速；在小功率火焰自由射流工況下，由于燃燒釋放的熱量低而未能較明顯地觀察到這種趨勢(shì)。存在沖擊壁面的兩個(gè)工況下，中心線上平均速度隨著高度增加而逐漸下降，這是沖擊壁面對(duì)射流的阻滯作用造成的。

圖9 4種工況下平均速度沿中心線的分布Fig.9 Mean velocity distribution along centerline in four cases

圖10 4種工況下脈動(dòng)速度沿中心線的分布Fig.10 RMS velocity distribution along centerline in four cases

從圖10可以看到：在自由射流的兩個(gè)工況下，脈動(dòng)速度在測(cè)量范圍內(nèi)沿中心線呈上升態(tài)勢(shì)，其湍流強(qiáng)度隨射流的發(fā)展而增加;而存在沖擊壁面的兩個(gè)工況下，脈動(dòng)速度隨著高度增加而下降，其湍流強(qiáng)度在與駐點(diǎn)接近的過(guò)程中不斷下降并且處于較低水平，在z<2d測(cè)量范圍內(nèi)，中心線上豎直方向速度分量的脈動(dòng)速度都小于0.2m/s。

2.3 時(shí)均火焰流場(chǎng)

2.3.1小功率火焰工況

圖11為Case-L不同高度上豎直方向平均速度沿徑向的分布。可以看到：在同一高度上，從中心線向外流速逐漸減小，這與圖9所展示的結(jié)果一致。同時(shí)，隨著高度增大，射流邊緣在徑向不斷擴(kuò)展，這是自由射流剪切層發(fā)展的體現(xiàn)。

圖11 Case-L不同高度的豎直方向平均速度沿徑向的分布

Fig.11VerticalmeanvelocitydistributionatdifferentheightsinCase-L

圖12、13分別為Case-LP不同高度上平均速度的水平方向分量和豎直方向分量沿徑向的分布。其中，在最接近沖擊壁面的測(cè)量高度上，可以較明顯地看到水平方向的速度分量沿徑向經(jīng)歷了先增大再減小的過(guò)程。中心線附近的水平方向速度分量始終處于較小量值，且該分量的峰值位置離中心軸的距離隨高度的增加而變大。而在豎直方向的速度分量在出口附近同樣具有射流耗散的變化形式，但由于沖擊壁面的阻滯，靠近中心線區(qū)域的速度分量隨著高度增加而大幅下降。在接近壁面時(shí)，由于軸向流動(dòng)中產(chǎn)生較大的逆壓梯度，減速非?？?。

圖12 Case-LP不同高度的水平方向平均速度沿徑向的分布

Fig.12HorizontalmeanvelocitydistributionatdifferentheightsinCase-LP

圖13 Case-LP不同高度的豎直方向平均速度沿徑向的分布

Fig.13VerticalmeanvelocitydistributionatdifferentheightsinCase-LP

根據(jù)多點(diǎn)測(cè)量的兩個(gè)方向速度分量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)小功率火焰沖擊射流Case-LP進(jìn)行流場(chǎng)重構(gòu)，得到速度分布云圖，并疊加測(cè)試點(diǎn)處的速度矢量分布，如圖14所示。該重構(gòu)圖的軸向尺寸與徑向尺寸的縮放比為1.5∶1。重構(gòu)結(jié)果較清晰地展現(xiàn)了該工況下流場(chǎng)的主要結(jié)構(gòu)，且流場(chǎng)特征與典型沖擊火焰射流較為吻合，包括自由射流區(qū)、滯止區(qū)和壁面射流區(qū)等3個(gè)區(qū)域。這種利用LDV技術(shù)通過(guò)多點(diǎn)掃描重構(gòu)得到的速度云圖，比PIV技術(shù)具有更高的測(cè)量精度，而且可以避免PIV方法存在的壁面激光反射問(wèn)題；其缺點(diǎn)是多點(diǎn)掃描需要較長(zhǎng)的測(cè)量時(shí)間，只能用于定常流場(chǎng)的測(cè)量。

圖14 Case-LP流場(chǎng)重構(gòu)平均速度分布云圖及測(cè)試點(diǎn)矢量圖Fig.14 Contour and vector of mean velocity in Case-LP

2.3.2大功率火焰工況

Case-H不同高度上的豎直方向平均速度沿徑向的分布如圖15所示。大功率火焰是在小功率工況內(nèi)部圓形噴嘴的基礎(chǔ)上，加上了環(huán)狀同軸噴嘴的結(jié)果。對(duì)比圖11可知，由于環(huán)形噴嘴出口速度比中心要大，在各個(gè)無(wú)量綱高度z/d上，中心線處速度向外并未直接減小，而是中心孔射流先與外部較高流速的環(huán)形射流混合，再一起耗散，呈先增大后減小的過(guò)程。而隨著高度的增加，同軸射流與中心射流的速度剪切層逐漸耗散。

圖15 Case-H不同高度的豎直方向平均速度沿徑向的分布

Fig.15VerticalmeanvelocitydistributionatdifferentheightsinCase-H

圖16是Case-HP不同高度位置的豎直方向平均速度沿徑向的分布。對(duì)比自由射流火焰(圖15)，豎直方向速度分量沿徑向分布隨高度增加發(fā)生顯著變化：一方面，中心區(qū)域的速度分量隨著高度增加而顯著減小——特別是接近壁面時(shí)，由于逆壓梯度的存在，豎直方向速度分量顯著下降，動(dòng)量逐漸轉(zhuǎn)換成水平方向的分量(圖17)；另一方面，外圈同軸射流與內(nèi)圈射流的速度分布差異隨著高度增加而變小。對(duì)于該工況各個(gè)高度上的水平方向速度分量測(cè)量結(jié)果，都可以較明顯地看到沿徑向先增大再減小的過(guò)程，且其峰值位置離中心軸的距離隨高度增加而變大。

圖16 Case-HP不同高度的豎直方向平均速度沿徑向的分布

Fig.16VerticalmeanvelocitydistributionatdifferentheightsinCase-HP

圖17 Case-HP不同高度的水平方向平均速度沿徑向的分布

Fig.17HorizontalmeanvelocitydistributionatdifferentheightsinCase-HP

圖18是由Case-HP的LDV測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行流場(chǎng)重構(gòu)后得到的速度分布云圖及測(cè)試點(diǎn)的速度矢量分布。該重構(gòu)圖的軸向尺寸與徑向尺寸的縮放比為3∶1。在射流正對(duì)的平板正中央，存在一個(gè)速度接近零的駐點(diǎn)區(qū)域，從射流中心到駐點(diǎn)，速度逐漸減小。由沿流線方向的伯努利方程可知，速度減小對(duì)應(yīng)著壓力升高，即駐點(diǎn)附近存在一個(gè)高壓區(qū)。該高壓區(qū)的存在，一方面在豎直方向產(chǎn)生逆壓梯度，使流體在豎直方向減速；另一方面，在水平方向驅(qū)動(dòng)流體沿著壁面加速流動(dòng)，在近壁面處，流動(dòng)基本沿著壁面水平方向向外運(yùn)動(dòng)。在距離駐點(diǎn)約25mm的壁面附近存在一個(gè)速度峰值；達(dá)到峰值后，壁面射流開(kāi)始逐漸耗散，水平方向速度分量沿徑向逐步減小。而在小功率工況下(圖14)也存在類(lèi)似的流場(chǎng)特點(diǎn)，近壁面速度峰值位于駐點(diǎn)10mm附近。這個(gè)速度峰值的存在，可能會(huì)造成在較小沖擊距離下傳熱分布出現(xiàn)除駐點(diǎn)外的第二次峰值[22-23]。在噴嘴出口附近，中心射流的速度要顯著低于外側(cè)同軸射流的速度，兩者之間存在速度剪切層。由于駐點(diǎn)附近高壓區(qū)的擠壓效應(yīng)，混合層隨著高度的增加而向外圍擴(kuò)張，并使得駐點(diǎn)外的速度峰值比小功率單孔射流工況進(jìn)一步增強(qiáng)。在這個(gè)位置可能會(huì)出現(xiàn)顯著強(qiáng)化的傳熱第二次峰值，將在下一步開(kāi)展的換熱特性測(cè)量中進(jìn)一步研究。

圖18 Case-HP流場(chǎng)重構(gòu)平均速度分布云圖及測(cè)試點(diǎn)矢量圖Fig.18 Contour and vector of mean velocity in Case-HP

2.4 脈動(dòng)速度分布

2.4.1小功率火焰工況

圖19為Case-L各高度上豎直方向脈動(dòng)速度的徑向分布。在離噴嘴出口較近的測(cè)量高度上，脈動(dòng)速度在r/d=0.6附近出現(xiàn)小的峰值，這與射流和周?chē)諝忾g存在的剪切層有關(guān)(圓形噴嘴唇口位置為r/d=0.5)。而隨著高度的增加，自由射流不斷發(fā)展，在測(cè)量的高度范圍內(nèi)，脈動(dòng)速度在徑向各位置點(diǎn)均呈上升趨勢(shì)。但總體來(lái)說(shuō)，各測(cè)點(diǎn)的速度脈動(dòng)幅值都處于較低水平：噴嘴出口附近核心射流區(qū)不大于0.05m/s；在中心線上高度約為3.5～4.5倍噴嘴直徑處，約0.3m/s。

圖20和21分別給出了Case-LP不同高度上脈動(dòng)速度的豎直方向分量與水平方向分量沿徑向分布情況。由于沖擊壁面的存在，噴嘴出口附近的豎直方向脈動(dòng)速度較大，并隨著高度上升呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。水平方向的脈動(dòng)速度在靠近壁面的速度峰值附近(r/d=1)相對(duì)較大，不過(guò)整體上處于較小量級(jí)(小于0.1m/s)。這與沖擊壁面的存在減小了流體間的剪切區(qū)域并抑制其發(fā)展有關(guān)，在一定程度上，沖擊壁面起到了穩(wěn)流作用。

圖19 Case-L不同高度的豎直方向脈動(dòng)速度沿徑向的分布

Fig.19VerticalRMSvelocitydistributionatdifferentheightsinCase-L

圖20 Case-LP不同高度的豎直方向脈動(dòng)速度沿徑向的分布

Fig.20VerticalRMSvelocitydistributionatdifferentheightsinCase-LP

圖21 Case-LP不同高度的水平方向脈動(dòng)速度沿徑向的分布

Fig.21HorizontalRMSvelocitydistributionatdifferentheightsinCase-LP

2.4.2大功率火焰工況

圖22給出了Case-H不同高度的豎直方向脈動(dòng)速度沿徑向的分布情況?？梢钥吹剑河捎谧杂缮淞骰鹧娴陌l(fā)展，各徑向位置處的脈動(dòng)速度隨著高度的上升而加大。整體上看，大功率火焰工況Case-H的速度脈動(dòng)幅值要明顯強(qiáng)于小功率火焰工況Case-L。而在測(cè)量高度大于z/d=9.36的區(qū)域內(nèi)，速度脈動(dòng)隨著高度的上升總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這與流動(dòng)方向上射流與環(huán)境空氣間的剪切耗散過(guò)程所起到的阻尼作用有關(guān)。

圖22 Case-H不同高度的豎直方向脈動(dòng)速度沿徑向的分布

Fig.22VerticalRMSvelocitydistributionatdifferentheightsinCase-H

圖23和24分別給出Case-HP不同高度上脈動(dòng)速度的豎直和水平方向分量沿徑向的分布情況。整體上，豎直方向速度脈動(dòng)比自由射流狀態(tài)顯著減小。在噴嘴出口附近的高度上(z/d=0.27)的外環(huán)噴嘴唇口位置(r/d=1.5)附近有較大的速度脈動(dòng)值；而在靠近沖擊壁面的測(cè)量高度上，豎直方向速度脈動(dòng)保持在極低水平。水平方向速度脈動(dòng)在主流區(qū)相對(duì)較弱，在外環(huán)噴嘴唇口所對(duì)應(yīng)的徑向位置以外的附近區(qū)域出現(xiàn)峰值，且隨高度的增加，峰值位置呈向外移動(dòng)的趨勢(shì)。在最靠近沖擊壁面的測(cè)量高度(z/d=1.64)上，水平方向的脈動(dòng)速度在如圖18所示的平均速度峰值點(diǎn)附近(r≈25mm)達(dá)到最大值。

圖23 Case-HP不同高度的豎直方向脈動(dòng)速度沿徑向的分布

Fig.23VerticalRMSvelocitydistributionatdifferentheightsinCase-HP

圖24 Case-HP不同高度的水平方向脈動(dòng)速度沿徑向的分布

Fig.24HorizontalRMSvelocitydistributionatdifferentheightsinCase-HP

3 結(jié) 論

本文使用MSE激光多普勒測(cè)速LDV設(shè)備、微米級(jí)TiO2固態(tài)粒子發(fā)生器和粒子回收裝置，通過(guò)控制精度為0.01mm的三維精密位移機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)測(cè)量點(diǎn)空間定位，搭建了沖擊射流火焰流場(chǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置?；谌紵鲌?chǎng)單點(diǎn)測(cè)量，分析并選取了保證實(shí)驗(yàn)精度的采集樣本數(shù)和信噪比SNR。通過(guò)對(duì)兩種熱功率下沖擊射流和自由射流兩種火焰的速度場(chǎng)進(jìn)行位置掃描測(cè)量，獲得了空間多點(diǎn)的平均速度和脈動(dòng)速度。對(duì)多次測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，LDV實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有較高的測(cè)量重復(fù)性和準(zhǔn)確性。

通過(guò)對(duì)多個(gè)位置點(diǎn)平均速度兩個(gè)方向分量的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)，得到二維流場(chǎng)速度矢量分布圖，獲得了流場(chǎng)基本特征。沖擊射流火焰流場(chǎng)與對(duì)比工況的自由射流火焰顯著不同：靠近沖擊平板壁面的中心線上存在滯止區(qū)，形成較高靜壓；射流受到該逆壓梯度作用，豎直方向速度迅速減小；在靠近壁面區(qū)域，由于受到滯止區(qū)高壓驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)生水平方向的速度分量而發(fā)展為壁面射流區(qū)，并在距離中心點(diǎn)約1倍噴嘴直徑的位置產(chǎn)生一個(gè)速度峰值。這個(gè)速度峰值的存在，可能會(huì)產(chǎn)生短沖擊距離下?lián)Q熱強(qiáng)度的第二次峰值[22-23]。大功率模式采用多級(jí)同軸射流火焰，其外環(huán)同軸和中心孔射流之間存在內(nèi)部混合剪切層：在自由射流火焰模式下，該混合層會(huì)隨著射流發(fā)展而耗散；在短距沖擊射流模式下，混合層由于受到滯止區(qū)作用而向外擴(kuò)張。本文測(cè)量所得到的流場(chǎng)特征對(duì)沖擊射流火焰換熱特性的影響，將在下一步工作中展開(kāi)研究。