振荡式向上喷射射流的耦合传热传质：凹面防冰中的流固耦合应用 **摘要：** 凹面表面的热传质过程对于航空器防冰应用至关重要。本文研究了振荡式向上喷射射流对凹面表面的传热传质特性。结果表明，与定常射流相比，振荡运动使换热系数增加了约30%。注入0.61 MPa的空气可使水膜的传热传质增加200%以上。由于水膜位置在射流脉冲周期内不断变化，局部换热系数随水膜位置的变化而显著变化。 **1. 引言** 结冰是航空器、汽车、船舶及工业设施面临的主要问题。机体结冰会导致阻力增加、燃油消耗增大、气动控制能力下降或结构损坏。凹面（如进气导叶和进气道）的结冰尤为严重，因为这些部位难以除冰。 **2. 防冰方法** 传统机械除冰方法主要用于小型非关键部件。对于关键部件，采用电加热和化学防冰（乙二醇液）方法。然而，高温加热会增加重量、降低性能且能耗较高。防冰液在低温环境中性能下降，并造成环境污染。 **3. 气体喷射射流** 喷射射流可显著提高传热效率，且所需流量较低。例如，冲击空气射流相比强制对流可使传热提高多达20倍。局部换热系数取决于流量、射流速度、喷嘴几何形状、工作流体及其他参数

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Coupled heat and mass transfer of oscillatory upward impingement jet: FSI application to anti-icing from a concave surface

　　

振荡射流冲击凹面的数值研究

- 热振荡射流冲击冷凹面，模拟防冰过程
- 振荡射流消除滞留区，确保凹面均匀加热
- 较大的射流向上间距以牺牲均匀性为代价增强传热和传质
- 要实现更高的均匀性，需要更宽的振荡幅度和更小的射流向间距

引言

射流冲击技术是一项在多个工业和关键应用中广泛采用的基本策略，例如燃气轮机叶片冷却[1]、[2]、[3]和电子冷却[4]，纺织和轮胎制造[5]，机翼前缘防冰[6]，涂层表面清洁[7]，太阳能空气加热器性能提升[8]，以及光伏电池[9]、火焰中对流的模拟[10]等。在传热应用方面，射流冲击提供了一种有效的工具，用于破坏热边界层并增强局部热量的移除。被冲击表面的几何形状在射流与表面积聚流体之间的相互作用中也起着至关重要的作用。对于平面，滞留点集中在射流中心，当流体接近表面时加速，从而提高了局部传热[11]。另一方面，曲面，特别是凹面，会导致冲击流与壁面分离并形成一次涡旋，从而削弱滞留区的作用，使得局部传热低于平面。尽管如此，射流冲击凹面的应用仍然是必要的课题，如燃气轮机叶片内表面冷却或机翼前缘防冰。

Hajimohammadi等人[12]提出了在半球形圆柱体三维域上使用间歇冲击射流。他们观察到强涡旋的形成，这些涡旋从曲面处向上移动，提高了滞留点的局部努塞尔数。对于较高的脉动频率，局部努塞尔数更高。Bu等人[6]对代表Piccolo管的三排孔进行的射流冲击曲面壁（代表机翼前缘）进行了大量实验。他们的结果表明，射流雷诺数和冲击孔排的角度分布具有显著的正向作用，而在射流孔与曲面之间存在一个临界距离，可使滞留努塞尔数最大化。Sharif和Mothi[13]以及Ahmadi等人[14]利用计算湍流设施分析了槽射流冲击半圆凹面的情况。两项研究都指出，峰值努塞尔数略微偏离滞留点，然后迅速衰减。他们还强调了射流雷诺数对放大努塞尔数的显著影响。然而，Ahmadi等人[14]扩展了求解域，而Sharif则根据射流到凹壁的距离限制了求解域。因此，在Ahmadi的研究中，主涡旋清晰形成。

Kayansayan和Kü?üka[15]实验研究了在半圆受限表面内槽射流冲击空气的情况，测试了冲击射流与半圆表面之间间距的影响。Selimefendigil等人[16]研究了幂律流体冲击被平面壁限制的凸面的情况。他们的计算研究假设幂律流体受到倾斜磁场的作用。虽然凸面的曲率很小，但磁场和幂律指数的影响很显著。然而，双射流情况未与单射流情况进行恰当区分。为了在类似燃气轮机叶片几何结构的内表面标准化传热，Yal??nkaya和Durmaz[17]评估了使用三排替代射流孔将空气推向凹面的可行性。目标表面通过一系列V形肋粗糙化。他们注意到，在表面添加肋使肋附近的流动混合复杂化，从而增强传热并缓解滞留区之间的相互作用。肋的作用及其对强化冲击流的贡献在Barbosa等人[18]的综述研究中进行了总结。

火焰射流冲击技术历来是固体材料加工的基本方法[19]。它在各行业中的广泛采用源于其显著的提高传热速率的能力。这种火焰直接冲击的应用在火焰切割和焊接、废金属熔化以及玻璃制造等制造过程中都有用途。Hua等人[10]实验和数值研究了甲烷-空气火焰燃烧器向上冲击半球形凸面的传热。他们得出结论，当燃烧器孔最接近凸面时，传热最大。他们发现，高雷诺数提高了火焰高度并增强了传热和火焰温度，但降低了整体传热效率。为了高效传热，他们推荐使用小直径燃烧器和低曲率表面。

尽管单个冲击射流在分散和减薄热边界层方面效率很高，但它存在局限性。它将传热集中在特定区域，无法覆盖整个热表面，导致传热分布不均[18]。多射流冲击是覆盖更宽区域和提高表面温度调控的好策略[20]。然而，这种策略会产生一个问题，即在射流到达目标之前发生相互干扰，以及冲击目标后反弹流体产生的碰撞，这些碰撞沿目标发生[20]。因此，为避免这些不期望的相互作用，应注意安排单个射流之间的间距、射流与目标之间的间距、射流直径（或宽度），甚至冲击雷诺数。或者，流动脉动是一种避免这些不期望相互作用的尝试[21]、[22]，其中脉动特征（如频率、振幅、波形）应与多射流的几何结构相协调。

Zhang等人[23]提出了一种替代方法，通过在射流壁汇聚的目标上方引入振动压电贴片来减轻多射流间的干扰。压电贴片充当风扇，引入非定常流动，从而改变边界层发展并增强局部传热。他们证明了纵向配置（振动方向垂直于连接两射流的线）优于横向配置（振动方向平行于连接两射流的线）。他们还证明，当射流更接近目标时，振动风扇具有独特作用。

一种替代方案是使用振荡射流来覆盖更宽的目标表面并调控局部传热。振荡可以被动实现，如流体振荡器[24]、[25]。在此，流体在腔室内加压，通过特殊通道实现具有反馈和非扩散出口的变迹流，从而实现周期性偏转的出口射流。偏转角主要取决于反馈通道的设计和雷诺数[26]。虽然流体振荡器没有运动部件，但其运行依赖于压缩机提供的压缩空气[27]，这对其功能增加了约束。

为了在不使用压缩机的情况下提供射流振荡运动，提出了一种方案，即将压电贴片连接到平行柔性板上，形成振荡槽射流。通过给压电贴片施加特定的同相波形和振幅，可在任何雷诺数下验证射流的振荡运动，无需压缩机[27]。此外，改变每块板的振荡相位可以在发散和收敛喷嘴之间切换射流，产生脉动流[29]。确实，这种策略具有鼓励意义，因为通过向压电贴片引入可控激励即可获得振荡流，无论雷诺数多高，即无需消耗高功率的压缩机来产生非定常振荡。

以往研究表明，振荡冲击射流主要通过流体振荡器实现，这需要非常高的雷诺数和压缩流动。此外，大多数甚至所有防冰机制都使用稳态冲击射流，而振荡射流中的质量浓度很少被研究。在开放文献中，未找到使用振荡冲击射流完成曲面防冰问题的详细研究，而振荡射流在均匀加热或冷却方面很有用。因此，本研究扩展了现有的压电振荡研究，为振荡射流的传热和传质引入新见解，并研究均匀性达到的程度。为了模拟Piccolo管，槽射流将热流体垂直泵向冷的曲面，模拟飞机机翼前缘的防冰机制。本研究也适用于使用热发动机排气进行甲板除冰[30]，特别是在极地地区[32]。此外，海上风力涡轮机叶片的结冰[31]是该策略的一个潜在应用。因此，本研究旨在改善这些情境中的传热过程。

问题描述

本研究涉及从圆柱形储液罐向半圆形冷表面冲击热空气的情况（图1(a)）。冲击过程通过向上作用的振荡射流以振荡方式实现。当流体冲击冷半圆表面时，流体向下坠落，从底部两端的两个出口排出（图1(b)）。因此，收集到的几何结构可称为拱形通风腔（AVC）。热流体以速度Vin冲击，然后流动...

数值求解与验证

关于数值离散化，网格设计为可移动以追踪振荡射流壁面的变形（DWOJ）。本研究显式考虑了几何非线性（大应变）。流体运动和振荡射流壁面使用有限元法处理，并用任意拉格朗日-欧拉（ALE）方法描述，该方法按指定方式移动网格节点以保持网格质量和界面精度。ALE方法是一种...

结果与讨论

共进行了167次运行以收集相关参数的变化结果，包括射流向上偏移间距Yc（0–2.5）、振荡幅度A（0.16–1.16）、浮力比N（?5–5）、雷诺数（250–750）和理查森数Ri（0.01–1）。以空气为工质，普朗特数Pr=0.71，刘易斯数Le=1。角频率设为1，2πf=1。固体与流体密度比设为ρr=800，

结论

我们的数值解主要关注振荡射流向上冲击半圆面的对流传热和传质问题。利用流固耦合，对射流壁面的自由端施加正弦激励。射流将高浓度的热空气扫过低浓度的冷表面，模拟防冰过程。已为特定参数范围建立了努塞尔数和舍伍德数的关联式。

局限性与未来工作

本研究仅限于一个频率值（单位角频率）和一种影响射流的波形振荡：正弦波。未来研究可探索其他波形和频率。本研究的第二个局限是半圆凹面。未来可考虑类似翼型前缘的表面轮廓以模拟风力涡轮机叶片。本研究忽略了Soret和Dufour效应，其中传热和传质被...

CRediT作者贡献声明

Fathi Alimi：撰写—原稿、监督、形式分析。Muneer Ismael：撰写—原稿、方法论、数据管理、概念化。Zehba Raizah：可视化、概念化。Nadia Ayari：资源、数据管理。Mohamed Bouzidi：撰写—审稿与编辑、方法论。Mehdi Fteiti：资金获取。Mohammad Ghalambaz：撰写—审稿与编辑、监督。

资金

本研究工作由沙特阿拉伯Umm Al-Qura大学资助，项目编号：26UQU4310414GSSR06。

利益冲突声明

作者声明他们不存在已知的可能影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢沙特阿拉伯Umm Al-Qura大学通过项目编号26UQU4310414GSSR06资助本研究工作。

Fathi Alimi|Muneer Ismael|Zehba Raizah|Nadia Ayari|Mohamed Bouzidi|Mehdi Fteiti|Mohammad Ghalambaz