压电驱动自耦合射流流动和换热特性实验研究.pdf

中国科学 E 辑:技术科学 2007 年 第37 卷 第3 期: 431~437 SCIENCE IN CHINA PRESS 压电驱动自耦合射流流动和换热特性 实验研究 * 张靖周 谭晓茗 (南京航空航天大学能源与动力学院, 南京 210016) 摘要 采用三维粒子图像测速仪、热线风速计和红外热像仪对狭缝喷口自耦合 射流的流动特征和冲击靶板的对流换热特征进行了实验研究. 结果表明, 在紧邻 喷口的法向距离内, 涡对周期性地生成、破碎和融合, 在某个法向距离上形成较 为稳定的连续性射流; 随着自耦合射流的发展, 呈现在喷口短轴方向急剧向两侧 扩展、而在喷口长轴方向先收缩后缓慢扩展的流动特征. 激发器存在两个谐振频 率, 使得自耦合射流的速度和涡量比较大, 其中高频谐振频率效果更好; 实验得 到的两个谐振频率在数值上与理论分析有一定差异, 低频谐振频率相对差值更 大. 与常规射流冲击冷却相比, 自耦合射流冲击作用下的靶面对流换热系数同样 具有随冲击间距增大而先逐渐增大、后逐渐衰减的变化趋势, 但最佳冲击间距值 却明显高于常规射流, 而且自耦合射流的作用范围大, 表明自耦合射流具有强的 夹带能力和穿透能力. 关键词 自耦合射流 冲击冷却 流动 传热 在一个开缝或孔的腔体上利用压电材料或薄膜的周期振动使缝隙处产生一系列向外扩展 的非定常涡环, 这一系列的涡环对外流的作用类似于一股射流, 称为自耦合射流( 图1). 由于 自耦合射流能够对附面层和主流产生重要的影响, 甚至可以改变主流的方向, 因此被认为是 一种全新的流动控制概念而引起越来越广泛的重视. 同时由于自耦合射流流动具有脉动性, 比相同雷诺数下常规的连续射流具有更强的夹带能力, 所以在强化换热方面也具有潜在的应 用前景. 目前针对自耦合射流的形成机理和演变过程 [1,2] 、自耦合射流的数值模拟 [3~6] 、自耦 合射流激发器的性能研究 [7~10]和应用研究 [11,12]等方面已经开展了众多基础性的研究工作, 但 是将自耦合射流用于强化传热的研究在国内外还相对缺乏. 本文通过实验研究对压电驱动单 膜片激励的自耦合射流的流动和换热特性进行研究, 进一步揭示自耦合射流的流动特征和冲 击靶板的对流换热特征. 收稿日期: 2006-03-24; 接受日期: 2006-10-12 国家自然科学基金资助项目(批准号: * E-mail: zhangjz@ 432 中国科学 E 辑 技术科学 第 37 卷 1 实验系统 实验中采用圆柱形腔体自耦合射流激发器( 图2), 腔体直径 D = 30 mm, 腔体高度 H = 5 mm; 腔体顶面为射流孔板, 厚度为 1 mm, 狭缝喷口宽度 b = 0.5 mm, 长度 l = 10 mm; 腔体底 面为压电膜片, 厚度为0.2 mm, 由PZT-5 型压电陶瓷片和紫铜