【摘 要】衝擊射流及與之相關的熱防護在實際應用中非常常見。論文研究了高溫高速射流衝擊十字板的熱防護問題。在雷諾數Re進入阻力平方區後，選取無因次距離H/D作為縮尺參數，並通過CFD模擬分析了這種方案的可行性。通過試驗裝置產生的高溫（～500℃）煙氣，在150mm噴嘴出口處以高速（～56m/s）衝擊敷設有隔熱材料的十字板。試驗選取了三種材料，並設計了4種隔熱敷設方案。最後，在比較各個面的最高溫度後，得到最優的隔熱設計方案。
【關鍵詞】衝擊射流；相似理論；縮尺試驗；隔熱；
Abstract:The impinging jet and its related thermal protection are widely used in practical applications. In this paper, the thermal protection of high temperature and high velocity jet impinging cross plate was investigated. After the Reynolds number (Re) entered the self-preservation region, the dimensionless distance H/D was selected as the scale parameter, and the feasibility of the scheme was analyzed by CFD simulation. An experimental mockup was used to produce high temperature (~ 500 °C) impinging gas jet with high speed (~56 m/s) at the nozzle exit. Three kinds of materials were selected and 4 kinds of laying schemes were designed. After comparing the maximum temperature of each surface, we obtained the optimum heat insulation design.
1 引言
射流現象在日常生活經常出現。衝擊射流在工程領域中應用廣泛，特別是在局部區域表面需要強烈換熱的工程應用當中。例如紡織行業的紡織品、造紙行業中的紙張、加工業中的木材等材料的局部乾燥，鋼鐵行業中鋼板的冷卻，航空發動機渦輪葉片冷卻[1] ，高負荷微電子原器件的冷卻[2] ，這些都用到了衝擊射流換熱技術。衝擊射流盡管應用不少，但在某些場合其不利特徵就體現出來了。例如在火箭或者導彈從點火到起飛過程中，其尾端高溫高速射流將衝擊發射裝置的迎氣面，它不僅可能引起發射裝置平臺的振動響應和飛行器飛行的初始擾動，而且還可能對發射裝置產生嚴重的燒蝕作用[3] 。
Martin[4] ，Jambunathan 等人[5]和Polat 等人[6]對沖擊射流的傳熱進行全面綜述。衝擊射流的傳熱分佈在形狀和大小方面隨著各種測試參數有著顯著變化。通常，傳熱分佈可以表示為隨徑向位置變化的局部努塞爾特數。
對於工程實踐，只要射流射向自由空間即可歸入自由射流，並不嚴格要求介質溫度密度的完全一致，但這並不意味著邊界條件也可以這樣處理，相反邊界條件是需要如實處理的[7] 。儘管衝擊射流換熱技術在工程中應用很廣泛，但由於其流場非常複雜，一些物理性質和傳熱機理仍然沒有得到合理的解釋。這對計算機模擬計算造成一些困擾。工業應用上大多數衝擊射流涉及從噴嘴到下游整個領域的湍流流動,準確預測速度和傳熱係數的難點主要來源於湍流模型以及湍流場與壁面的相互作用[8] 。
2 試驗分析與CFD模型
2.1 試驗分析
裝有大功率燃氣輪機的運載工具在涵洞、隧道或者某些受限空間內中緩慢運行或者待機運行時，其燃氣輪機排氣口（直徑約1m）排出的高溫（可達500℃）高速（約56m/s）氣流不但使周圍的空氣溫度急劇上升從而影響人員安全，而且其對牆壁和頂部結構以及牆壁和頂部背面的某些設施造成強烈的衝擊，同時極大地考驗了排風機的高溫耐受性能[9]，一旦降溫設施不完備或者損壞將會造成嚴重的後果。這個時候不可避免的需要對受氣流衝擊的表面採取相應的隔熱措施。由於現場不具備試驗條件，需要對整個場景進行模擬試驗。
試驗的主要目的是在保持隔熱措施的結構和厚度不變，氣流出口的溫度、速度以及入射角保持不變，得到隔熱措施背面的溫度分佈。不可避免將面臨一個問題就是氣體射流噴口大小的選擇。如果選擇與原排氣口尺寸大小一致的噴口，那麼其所需能耗和配套設備的尺寸將非常大；如果縮小噴口，那麼如何保證所得到的隔熱措施背面溫度分佈結果的偏差。
要進行模型試驗，繞不開的就是相似理論。通常來說，對於非恆定流體的相似包括以下幾大特點幾何相似（Geometrical Similarity）、運動相似（Kinematic Similarity）、動力相似（Dynamic Similarity）以及相似的初始和邊界條件（Initial and Boundary conditions）。由此涉及到若干準則，如表徵慣性力和粘滯力的雷諾準則（Reynolds Criterion），表徵慣性力和重力佛勞德準則（Froude Criterion），表徵慣性力和流體動壓力的歐拉準則（Euler Criterion）等等。但幾何相似是前提條件。
首先，全尺寸條件，噴口內徑為D=1m，出口氣流參數為t=500℃，V=56m/s，此時根據《工程常用物質的熱物理性質手冊》附錄中煙氣的熱物理性質，500℃時，煙氣的運動粘度ν=76.3×10-6（m2/s），此時雷諾數Re=V·D/ν=7.34×105。此時的Re大小已經達到105量級，可以認為其已經進入阻力平方區。如果將噴嘴縮小至0.15m，如果保持噴嘴出口氣流參數條件不變，那麼其Re=1.1×105，同樣也可以認為其進入阻力平方區。此時Re的大小几乎不影響流場的性質，可以不考慮Re是否相等的問題。如果此時要保持兩者的Re值相等，那麼在噴嘴直徑和運動粘度不變的前提下，只有提高速度這唯一選項。提高速度，那麼不可避免的問題就是其速度會突破到90m/s以上[10] ，氣流的物性受可壓縮性影響將會發生變化。那麼就要選取其它的參數來實現縮尺並保證隔熱材料背面溫度分佈與實際分佈偏差不大。
在衝擊射流模型中，有一個無因次距離的定義，即噴嘴面沿噴嘴中心線到達受衝擊便面的距離與噴嘴直徑的比值，表達式為H/D。縮尺過程中，噴嘴直徑D縮小的同時，縮小噴嘴到受衝擊表面的距離。將H/D的值與全尺寸噴嘴保持一致。設想能否達成，將通過CFD模擬來進行驗證。
2.2 模型建立與邊界條件
圖1和圖2分別為按實際場景簡化的1m噴嘴大模型以及按擬建的實驗臺尺寸建立的0.15m噴嘴縮尺模型。全尺寸模型網格數2102472，節點數1592109，平均網格質量0.92204。縮尺後的模型，網格數124341，節點數53591，平均網格質量0.87241。一般來說，平均網格質量數值在0到1之間，越接近1越好。
由於維護結構需要耐受的熱衝擊時間有限，故對上述模型進行非穩態模擬，開啟能量方程，採用標準 k-ε模型，壁面函數採用標準壁面函數。對模型初值及邊界條件進行逐一設定如下：
設置大、小兩個模型外表面對流換熱係數均為8.7W/(m2·K) [11] ；
設置兩模型的噴口高溫氣流入口邊界均為質量流量，按照56m/s及500℃對應溫度下密度計算質量流量，與受衝擊面的法線方向夾角為30°；
同時考慮排風的背景風速，設置縱向斷面風速為1.9m/s，環境溫度設為25℃；
假設左右對稱，模型為一半，且為噴口以上區域。1m圓形噴口距頂部2.4米，距最近側壁2.6m；0.15m噴口距頂部0.363m，距最近側壁0.386m。即保持H/D比值一致。氣流噴射時間均為30min。受衝擊面材料均設為80mm硅酸鋁。
將流體計算區域與固體計算區域的交界面設置為interface，類型為coupled。
因為主要目的是為了驗證縮尺是否可行，在建模和計算過程中儘量簡化受衝擊表面情況，忽略所有作為支撐鋼板的導熱問題。
3 數值模擬結果分析
對於兩個模型的數值模擬結果比較主要從以下兩個方面進行。
1）比較兩個模型的頂部主要受衝擊表面溫度分佈規律是否一致。如圖3和圖4所示，兩者頂部的溫度分佈規律接近。
2）主要受衝擊表面最高溫度點溫升規律是否一致。1m噴口W艙頂部外表面最高溫度為82.1℃，0.15m噴口W艙頂部外表面最高溫度為79.9℃，差 值2.2℃。偏差若按照差值除以兩者平均值來計算，僅為2.72%，從最高溫度方面來說，應該滿足要求，並且其溫升趨勢吻合較好，如圖5所示。
4 試驗研究
4.1 試驗檯
根據模擬的結果搭建縮尺試驗檯。整個試驗裝置包括：煙氣發生系統，排風系統、試驗檯架、測試試件、控制系統、測量系統。煙氣發生系統由全預混燃燒器，高壓鼓風機，燃燒室，混合段，直管段，150mm噴嘴組成。
試驗檯架，圖6所示，主體段長3.2m（不含漸縮段），斷面尺寸為1.2m×1m。試件主體採用EH36鋼板，實際厚度6mm，十字形，每邊600mm，實際加工時略為加長10mm。試件主體表面敷設隔熱材料。控制系統主要由一臺燃燒器控制器、兩臺變頻器、以及噴嘴出口溫度測量和動壓測量裝置組成。整個試件表面佈置了72個熱電偶，試件布點方案如下圖7所示，通過兩臺FLUKE 2638A進行溫度測量，每隔4秒，掃描並自動記錄所有通道數據。
試驗中，高溫高速的煙氣通過噴口直接噴射在試件表面，入射角如圖8所示。
4.2 試驗方案
隔熱材料選用三個大類，一類為多晶絲材料，二類為硅酸鋁防火板（陶瓷棉板），第三類為二氧化硅氣凝膠氈。每類材料有4類敷設方案，共計12種，如下表所示。
實驗過程中，高溫高速煙氣射流出口控制500±20℃，氣流動壓200±10Pa（動壓換算成速度約為55.1m/s～57.9m/s），燃燒時間控制為30min。試驗檯架排風斷面風速約1.9±0.1m/s。
4.3 試驗結果
隔熱方案Ⅲ、Ⅳ，試件受熱後，鋼板均有變形。使用普通阻燃白膠粘貼白布的隔熱材料在30分鐘高溫加熱之後，膠水均有碳化現象，迎氣流處膠水完全燒完，露出布本色，脫膠。使用耐高溫無機膠水粘貼高硅氧布的二氧化硅氣凝膠氈則未發生碳化現象，也不掉落大量顆粒物填充物。
圖9到圖11展示了12種方案表面的0min，10min，20min以及30min時刻的最高溫度。結構Ⅲ和結構Ⅳ均有溫度超過60℃的面。方案Ⅰ和方案Ⅱ幾乎沒有差別，除了使用隔熱材料的消耗量，Ⅰ方案遠超Ⅱ方案。
經過綜合比較，方案Ⅱ在所有方案中無論從材料消耗還是表面溫度都是佔據優勢，即硅酸鋁隔熱材料敷設方案Ⅱ為最優方案。
5 結論
在流體進入阻力平方區之後，忽略雷諾數大小的影響，選用無因次距離作為H/D作為縮尺的參數。通過CFD模擬之後發現，全尺寸模型和縮尺模型在衝擊表面的溫度分佈規律相似，溫升趨勢接近，最高溫度偏差僅為2.72%。因次在流體進入阻力平方區之後，在其它諸如材料厚度、氣流流速和溫度以及入射角等參數保持不變時，可以選取H/D作為決定參數，設計試驗檯噴嘴大小。
12種試驗方案，總體來說，解決了三個問題，第一就是解決了隔熱材料是敷設在內部還是外部的問題，敷設在外部作為載體的鋼板會發生嚴重的變形現象。第二就是解決材料選擇問題，通過溫度比較，硅酸鋁方案Ⅱ是最優方案。第三就是，如果使用膠水的話，必須使用耐高溫無機膠，不能使用普通阻燃白膠。
參考文獻
[1] 鄭際睿, 王寶官. 模擬透平葉片衝擊冷卻的實驗研究 [J]. 工程熱物理學報, 1980, V1(2): 165-75.
[2] 秦曼, 鄭青, 馬重芳, et al. FC—72圓形射流衝擊模擬電子芯片單相局部對流傳熱的實驗研究 [J]. 工程熱物理學報, 1996, V17(1): 69-74.
[3] 周帆, 姜毅, 郝繼光. 火箭發動機尾焰流場注水降溫效果初探 [J]. 推進技術, 2012, 33(2): 249-52.
[4] MARTIN H. Heat and Mass Transfer between Impinging Gas Jets and Solid Surfaces [J]. 1977, 13(1-60.
[5] JAMBUNATHAN K, LAI E, MOSS M A, et al. A review of heat transfer data for single circular jet impingement [J]. Intjheat & Fluid Flow, 1992, 13(2): 106-15.
[6] POLAT S, HUANG B, MUJUMDAR A S, et al. Numerical flow and heat transfer under impinging jets: a review [J]. 1989, 2(2):
[7] 董志勇. 射流力學 [M]. 科學出版社, 2005.
[8] ZUCKERMAN N, LIOR N. Jet Impingement Heat Transfer: Physics, Correlations, and Numerical Modeling [J]. 2006, 39(565-631.
[9] YE W, ZHANG Q, XIE Y, et al. Spray cooling for high temperature of exhaust gas using a nozzle array in a confined space: Analytical and empirical predictions on cooling capacity [J]. Applied Thermal Engineering, 2017, 127(889-900.
[10] BELTAOS S. Oblique Impingement of Circular Turbulent Jets [J]. Journal of Hydraulic Research, 1976, 14(1): 17-36.
[11] 中華人民共和國建設部. 民用建築熱工設計規範 [M]. 中國計劃出版社, 1993.
備註：本文獲評為第21屆暖通空調製冷學術年會優秀論文，收錄於《建築環境與能源》2018年10月刊總第15期（第21屆暖通空調製冷學術年會文集）。版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯繫作者。
