突片是一种结构简单的涡激励器,用于控制或改善射流的流动结构。国内外在利用突片改善射流冲击对流换热以及强化掺混方面已经展开了一系列的研究,但突片激励射流强化传热的机理、不同的突片结构对射流冲击换热和同轴射流强化混合的影响规律,以及突片射流与横流相互作用的流场特征,仍然是一个富于挑战和创新的研究课题。本文围绕这一研究方向,进行了两个方面的研究:(1)在射流冲击冷却方面,对单排、双排突片射流以及非均匀横流作用下冲击的换热特性进行数值计算和实验研究,分析不同结构突片对换热效果的影响,揭示突片激励射流的流场控制和冲击换热强化的物理机制;(2)在射流强化掺混方面,分析主流出口安装小突片后,流向涡的产生和发展规律,揭示突片射流改变射流流动结构的机制,研究不同结构和安装方式突片对同轴射流混合效果的影响规律,并提出最佳的突片结构参数。对突片激励射流强化换热机制的研究表明,射流孔边缘突片的插入起到两方面的功用。一方面能够在突片两侧形成一对反向旋转的流向涡对,流向涡随着射流的流动沿流向发展,与周围流体进行着热量和动量的交换。由于流向涡的卷吸和强化掺混作用,加强了掺混边界层内的湍动,湍流动能的增强有利于提高射流冲击的冷却效果;另一方面使得射流出口的流动面积呈现收敛的几何特征,在亚音速射流范围内,射流孔截面收敛有利于提高射流核心区速度,从而改善射流冲击驻点区附近的对流换热效果。对突片激励射流改善冲击冷却换热的数值计算和实验研究表明:突片数目对冲击冷却换热特性的影响和冲击孔的直径有关,突片相对于主流的倾角以及突片伸入主流中的长度对冲击冷却换热特性都有较大的影响。在双排突片射流冲击冷却中,两排孔之间流向孔间距的变化对冲击靶面的温度分布具有较大的影响。对于有非均匀初始横流存在的进气方式,当横流作用较弱的时候,横流的顺排和叉排进气方式对射流的流动和冲击换热影响都很小;当横流作用增强时,两种进气方式表现出了较大的差别。总的来说,突片激励射流对冲击靶板的冷却效果高于常规射流。在射流混合中,主流经过突片以后,周围流体沿径向向主流方向流动,在突片中心处分成两股反向旋转的流体,使突片两侧形成两个反向旋转的流向涡,随着主流与次流的掺混,流向涡的强度不断减弱,并逐渐扩大与周围流体混合,直至逐渐消失。流向涡的存在使主流和次流的掺混程度加快加强,导致主流核心区的缩短;掺混以后周围流体的湍流动能较大。突片射流的出口截面的温度场形状发生了明显变化,在突片插入的位置,低温区扩张,高温区收缩,温度场更加均匀。对突片射流强化主流和次流掺混的数值计算和实验研究表明:合适的突片数目和合适的堵塞比是获得最佳掺混效果的关键因素,突片顶角和突片长度对混合效果也具有重要的影响。在本文研究的参数范围内,最佳的突片数目为8片,突片相对于喷管轴线安装的最佳角度是30°,最佳的突片顶角是90°,突片伸入主流的最合适长度为0.1倍喷口直径。