冷却孔附近三维流动的结构

　　1引言

　　冷却孔附近的流动是一种典型的横向流中射流流动。影响它的主要参数是射流雷诺数、射流的入射角(射流轴线与叶片表面当地切线的夹角)和射流与横向主流动量通量比。

　　在射流与横向流的流体相同的条件下，常常采用射流速度与横向主流的速比(亦称为吹风比或注射比)取代通量比。冷却孔出来的射流与高温的横向主流(叶片流道内的热流体流动)相互作用，在冷却孔附近产生局部非常复杂的流动现象，并由一系列旋涡结构所表征，包括占支配地位的肾型涡、马蹄涡、尾迹涡列和剪切涡系等。

　　为加深对冷却孔附近流动结构的认识，本文作者拟采用数值模拟的方法，在定常流动的假设下，研究吹风比、冷却孔几何形状和横流方向等对冷却孔附近流动结构的影响。由于篇幅所限，本文只给出圆形截面冷却孔与横流夹角为90时，不同吹风比冷却孔附近流动结构的比较和分析。

　　2文献综述

　　Margason(1993)等己经给出了横向流中射流流动的详细综述。本文只想对关于这种流动的已有研究结果进行简单描述，以帮助下文的分析讨论。

　　冷却孔出来的射流与高温的横向主流的相互作用，在冷却孔附近产生局部非常复杂的流动现象和旋涡结构，使冷却孔附近的流动具有以下几个明显的特征:(l)当射流离开冷却孔时，叶片表面附近的横向主流使射流偏斜，并随着其横截面流谱的不断变化伸向下游。随着沿射流迹线距离的增加，剪切使下游流面绕着自身折转并形成一个支配冷却孔附近流场的涡对，即所谓的肾型涡，其旋向相反.(2)在射流出口附近，射流与横向主流的相互作用可与刚性圆柱绕流类比。当横向剪切主流趋近射流孔出口时，会在主流的固壁上形成分离鞍点以及与此鞍点对应的马蹄涡。马蹄涡的两个分支分别从射流的两侧绕过伸向下游。但它的强度远比射流涡对弱，尺度远比射流涡对小。(3)绕过射流的横向主流在其下游形成尾迹区，一种类推是把它与Karman一Benard涡街联系在一起;另一种概念是把它描述成非定常流动分离区。(4)由于在横向流中射流流动中，还在某种程度上具有自由射流的特征，因此也有研究者把自由射流的涡环作为横向流中射流流动中的第四个涡系。总之，肾型涡是横向流中射流流动中的主要特征，而其它三个旋涡或涡系都是二次涡。图1给出了Margason(1993)所描述的三个涡系的解释图，而图2则为Ric&Roshko(1994)给出的包括自由射流涡环的四个涡系的解释图，其中还把尾迹涡系表述成三维的。图3给出了FRATICELLI(2004)等采用流动演示的方法，实验研究了与平板来流垂直的方形射流孔流动在该孔附件的流动结构。可清楚地看出射流主体(肾型涡)，马蹄涡，尾迹涡，以及尾迹涡与肾型涡的相互作用.最后要指出的是，虽然肾型涡对的存在是无须置疑的，但对其生成和演变的机理文献中还有许多不同的观点。较普遍的认识是:这个结构是由横流边界层与射流剪切层相互作用而产生的。