航空动力学报
JOURNAL OF AEROSPACE POWER
1998年  第13卷  第1期科技期刊

单孔复合角射流的流场实验研究

西安交通大学 徐红洲**   王尚锦 西北工业大学 刘松龄 陈辅群
【摘要】  在回流式传热风洞中，用五孔针对单气膜孔射流下游的流场进行了三维
测量，观察到了复合角射流时产生的一对具有明显强度和大小差别的流向耦合双涡
结构，并发现γ=15°的扇形孔较圆孔具有较弱的射流穿透能力和旋涡强度，其射
流冷气可更利于贴近壁面。
主题词：  射流  流场  实验
分类号：  TK124

１  实验装置与条件

    实验在回流式传热风洞中进行［1］，坐标系、喷射角及试验件的结构与尺寸以
及参数定义均与文献［1］中完全一致。β是喷孔向负z方向旋转后其轴线在x-z平
面上的投影与x方向间的夹角。射流雷诺数Re=ρjUjD/μj均为20000；对应吹风比
M=ρjUj／ρ∞U∞为1.0和2.0，主流速度U∞分别为12.1±0.10 m/s，6.6±0.12 m/s。
在所有对应无射流工况下，主流湍流度均为0.24±0.03%，喷孔中心位置在对应两
个主流速度的边界层动量厚度雷诺数分别为720和540.6。本文采用旋转五孔针的
方法进行测量。

２  边界层中流向速度U/U∞等值线的一般特征和流向涡的结构、强度

    图1(a)～(c)为圆孔射流时U/U∞的等值线分别在x/D=1.0，2.0和4.35截面上分
布，此图较突出地代表了复合角射流时沿流向U分布的4个典型特征：(1)射流向负z
方向偏移，整体分布不对称；(2)在射流后尾迹区的上方，射流核心区域呈不对称腰
子形，具有U/U∞＞1.0的超越速度，其最大值偏向正z一侧，且这个超越速度区域沿
流向逐渐消失；(3)在尾迹区中速度严重“亏损”，并存在一个沿流向逐渐扩大的尾
迹流动核心区域；(4)在射流两侧，边界层变得很薄，且正z侧比负z侧更薄。图1(a)
～(d)中，α=60°，β=30°，M=1.0，Re=20000。

    图1(b)和(d)反映了γ对U分布的影响。当γ从图1(b)中的0°扩张为图1(d)中的
15°时，射流穿透主流的能力明显减弱，超越速度消失，射流后的尾迹区域明显减
小，射流两侧的边界层明显增厚。这表明由于扇形喷孔出口截面面积的增大，导致
了该截面上吹风比和动量比的减小，从而使得射流冷气能够较好地贴附在壁面上起
到保护作用。

    图2(a～b)和图2(c～d)分别是圆孔和γ=15°的扇形孔射流下游x/D=1.0和4.35截
面上的V和W速度矢量分布(图2(a～d)中，α=60°，β=45°，M=2.0，Re=20000)，从
图中可发现，在复合角射流工况下，产生了一对明显的流向耦合涡，但由于喷孔轴
线向负z方向偏转，因而在负z的一侧，流向涡受到了抑制，范围很小，非常靠近壁
面，其强度较弱，而正z一侧的流向大涡则同喷孔未偏转前的情形差不多。此前的研
究［1-4］表明，在β=0°的对称射流的下游均会产生一对对称流向耦合涡，但这一
β≠0°时产生的、一对具有明显强度和大小差别的流向耦合双涡结构，是本文作者
在实验中观察到的。


图1 复合角射流时U分布的一般特征

图2 V，W速度矢量

    Compton和Johnston［5］在与本文近似的实验条件下没有观察到流向小涡，作者
认为可能是以下3方面的原因：(1)测点设置离壁面太远。他们测量的最靠近壁面的
点为y/D≈0.79，而在本文所进行的实验中，y/D的最小值可达0.13；(2)流向测量截
面离喷孔太远。他们设置的离喷孔最近的截面的x/D≈20.4，这样远的距离，流向小
涡完全有可能在流程中破裂和消失；(3)吹风比M不够大。


图3 圆孔和扇形孔流向涡度Ωx的分布比较

    图2(a～b)和图2(c～d)反映了γ对流向涡结构的影响。随着扇形角从0°增大为
15°，可以发现涡心更靠近壁面，旋涡强度得到了显著的减弱，其x/D=1.0截面上的
流向涡度Ωx（Ωx=W/y-V/z）的等值线分布如图3(a)和(b)所示（图中，
α=60°，β=45°，M=2.0，x/D=1.0，Re=20000）。这表明扇形角的增大，将显著减
小速度梯度W/y-V/z，无论是流向大涡还是流向小涡，其强度都将明显下降。
因此，复合角射流时，γ=15°的扇形孔具有显著降低流向耦合涡强度的作用。

    结论 (1)作者在实验测量中发现，复合角射流时产生一对具有明显强度和大小
差别的流向耦合双涡结构；(2)γ=15°的扇形孔较圆孔具有较弱的射流穿透能力和旋
涡强度，其射流冷气可更利于贴近壁面从而起到保护作用。

致谢  本文中扇形孔部分的实验研究工作是在Rolls-Royce PLC公司资助下完成的，
在此，对该公司给予的支持并同意发表这些实验数据表示感谢。

男  29岁  博士生   西安交通大学能源与动力工程学院机泵中心  710049
参考文献
1徐红洲等．扇形和圆形气膜冷却孔的流动和传热的实验比较．航空动力学报，
1997，12(1)：51-55
2Moussa Z M,Trischka JOhn W,et al.The Near Field in the Mixing of a Round 
Jet with a Cross-Stream.Journal of Fluid Mechanics,1977,80:49-80
3Andreopoulos J.On the Structure  of Jets in a Crossflow.Journal of Fluid 
Mechanics,1985,157:163-197
4Sang Woo Lee,Joon Silk Lee,et al.Experimental Study on the Flow 
Characteristics of Streamwise Incline Jets in Crossflow on Flat Plate.
Trans of ASME,Journal of Turbomachinery,1994,116:97-105
5Compton D A,Johnston J P.Streamwise Vortex Production by Pitched 
and Skewed Jets in a Turbulent Boundary Layer.J. AIAA,1992,30:640-647

1997年2月收稿；1997年5月收到修改稿。

（责任编辑  杨再荣）
