[发明专利]一种旋转冲击射流复杂流态及换热效果的评价装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及研究旋转冲击射流的流态与传热现象技术领域，特别 一种涉及旋转冲击射流复杂流态及换热效果的评价装置及方法，具体 是关于一种旋转射流未充分发展和充分发展射流流态及传热特性这 一科学问题展开基础性的实验研究，同时可应用于汽轮机叶片冲击均 匀化冷却单元结构设计，燃烧器的喷嘴结构设计、电子元器件均匀高 效冷却、高温板材大面积均匀化冷却等领域的实验研究，以及可以制 作为一种理解旋转射流复杂流态及传热现象的通用教研工具。

背景技术

在现有传热的强化技术中，冲击射流是提高局部传热系数最有效 的方法之一。然而单个光滑圆孔射流的大量实验表明:冲击靶面的传 热系数会形成“钟形”分布，即努塞尔数在驻点区附近具有最大值， 之后从驻点区开始沿径向呈指数规律迅速递减。

以涡轮叶片冷却为例，通常采用的不同阵列形式的光滑圆孔群冲 击冷却涡轮叶片，被冷却区域温度的显著下降，使得整体表面温度分 布很不均匀，导致壁面形成“冷斑”，这样会产生很大的热应力，因 此光滑圆孔阵列冲击冷却结构会严重削弱叶片的结构强度。

射流冲击冷却具有冷却快，冷效高，流阻小等特点，被广泛采用， 但采用这种冷却技术，在实现高效冷却的同时，如何解决冷却的不均 匀是实现高温部件低热应力、高可靠运行的核心关键问题之一。旋转 射流的提出，使冲击气流在通过能激发旋转射流的喷嘴后，喷出气流 除了轴向速度以外，还会产生切向旋转速度，这样不仅增强了冲击空 间气流的扰动，同时也使冲击核心区向外拓展了冲击射流有效冷却面 积，从而有望实现冲击靶面的换热均匀化。然而，目前就旋转射流的 旋转射流冲击冷却流态及换热机理，缺少相关的系统化实验研究及其 装置。

旋转冲击射流相对传统的圆孔冲击射流，首先是几何结构复杂， 涉及到喷嘴的结构形态(如螺旋升角，螺旋槽个数、槽型尺寸、面积 比等)，冲击孔到靶面距离、靶面形状、射流空间形态、冷却介质的 物性参数、流动状态、靶面热流密度等都会对流动及换热效果产生影 响，要搞清楚这些因素之间的关系，就需要进行基础性的实验研究， 目前还没有一个综合基础性的实验装置，来开展旋转冲击射流流态与 换热效果的深入研究。

现有的单个圆孔射流实验装置存在以下不足：

1)现有装置只能测量喷射气流量和喷嘴出口的平均速度，不能 测定喷嘴出口气流的脉动速度、频率和紊流度。也就是说只能分析定 常稳定流动的喷射气流，而不能测定伴有脉动频率或复杂旋涡状态的 喷射气流。

2)现有装置简单地采用定性方法分析射流空间的流场，几乎没 有定量测定射流空间的流动参数及其演化过程。

3)现有装置没有对射流空间给出明确的界定，通常都是自由射 流空间，即没有上档板限制的射流空间。

4)现有装置都是简单地估算靶面的系统热损失，这样势必不能 准确确定靶面的换热效果。

5)现有装置喷嘴结构形式单一且相对固定，不易更换试验喷嘴。

发明内容

为了克服现有冲击射流实验装置测量数据量少，准确度偏低的缺 点；同时拓展实现研究复杂的旋转冲击射流流动及传热现象，本发明 的目的在于提供一种旋转冲击射流复杂流态及换热效果的评价装置 及方法，具有准确率高的特点。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种旋转冲击射流复杂流态及换热效果的评价装置，包括实验台 架8，实验台架8的四根立柱上均设置有标尺14，实验台架8顶部横 梁处设置有三自由度机械臂17，实验台架8上部中间设置有集气室1， 集气室1进口处设置有预留烟线与示踪粒子接口3，集气室1底部通 过法兰连接稳定直管段4，稳定直管段4通过喷嘴卡具5卡装有旋转 旋转射流喷嘴6；旋转射流喷嘴6下部设置有保温箱12。

所述的实验台架8四周设置有保护档板18。

所述的集气室1内部设置有稳流网筛2，稳流网筛2由纵横交叉 的金属薄片构成。

所述的旋转射流喷嘴6，其出口设置有同一水平高度的可升降透 明档板7、可升降透明档板7两端安装于实验台架8立柱的可升降槽 13上。

所述的稳定直管段4通过端面法兰4-1与喷嘴卡具5轴向锁紧连 接，喷嘴卡具5与旋转射流喷嘴6周向锁紧连接，旋转射流喷嘴6与 端面法兰4-1接触面上设置有耐高温密封圈4-2。