壁面射流

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第180页（3726字）

是指沿着壁面喷射的一种剪切层流动，它提供的动量具有很强的附壁效应，特别是沿凸壁面射流，使壁面处压强小于射流外侧的压强，而产生柯达(Connda)效应，并增强边界层对周围流体的吸入量。

壁面射流作为工程上应用的一种技术，利用少量壁面射流可获得边界层控制的很高效益，航空和船舶部门已用于高升力机翼的设计。此外，它在加热、冷却、通风、减阻、控制噪音以及石油工业中燃烧废气的Connda火舌设计等许多工程中的应用都具有直接经济价值。

壁面射流的研究，起源于热传导问题的分析。

最早对平壁面射进行试验研究工作的是Forthmann(1934)，他观测到壁面射流的自保持特性，其边界层厚度沿壁面位置X线性增大，最大速度则反比于减小，以及内层区(从壁面y=0到最大速度处离壁面距离y=y_m)的速度分布为l／7次方变化等等规律。直到20世纪60年代前后，大量的试验研究和理论研究有进一步的深入展开。对平壁面射流速度分布第一个作出解析解的是Glauert(1956)，实验测定亦证实，平壁面射流内层区速度分布十分符合对数律公式，外层区使用Sech²速度分布有很好的近似。Mathieu(1959)的分析又正确地指出，由于壁面射流边界层中外层区对内层区的影响，使零切应力的位置不位于最大速度y_m处，而被移到离壁面大约的地方；Launder(1969)用混和长理论亦得到一致的结果；Irwin(1973)实验测量进一步证实了这个结论。壁面射流边界层的动量，因壁面摩擦等因素而衰减，各家实验数据比较分散，对其数量概念尚不很明确，但总的说，二维壁面射流的动量衰减并不严重。

对于壁面切应力，Kruka(1974)等都作出有可供参考的一些经验计算公式。Launder和Rodi(1981)对壁面射流外层区湍流特性的实验资料有所综述。

有两类凸壁面射流已有较多研究，即圆柱壁面射流和对数螺旋壁面射流，前者具有重要实际应用意义，后者因其流动有很好的自保持特性而具有理论上的指导性。流动显示表明，壁面射流沿圆柱表面流动时的分离角可高达120°以上(指射流起始角为0°，沿圆柱表面到分离点的附壁流动的角度)。

圆柱壁面射流边界层厚度变化以及有关的湍流特性已有Guitton(1970)和Wilson(1976)等的试验研究资料。对数螺旋壁面射流，据Guitton(1977)等的测量认为：射流边界层在相当大范围内仍有很好的自保持特性，故被1981年“复杂湍流研究”的Stanford会议推荐为理论研究该类问题的主要参考标准。

对于凸壁面射流自保持区域内湍流场中诸能量项平衡关系的测量和分析，Launder和Roid(1983)的评述有所概括。

Viets和Sforza(1970)首次发表三维壁面射流的试验表明，随后的一些试验研究也都证实，三维壁面射流的一个显着特性，即它的横向扩展率远远大于法向扩展率，射流在两个方向扩展宽度比达到5．5∶1。

这一现象的机理何在?引起人们浓厚的兴趣。Launder和Roid(1983)的初步分析解释，Hisashi和Matsuda等(1990)的进一步试验研究，流线向涡和马蹄形涡等拟序结构的一些假设的提出，尚无一致的定论。

环量控制翼作为壁面喷流的一项应用技术，突出地反映了研究壁面喷流的重要实际意义。对于具有钝尾缘机翼绕流，应用壁面射流技术能将其分离点后移，提高机翼升力。

Kind和Maull(1968)所发表的引人注目的试验结果，吸引了众多学者的继续研究。美国Davia-Taylor船舶研究和发展中心，自1969年以来，为解决海军飞机升降问题，对利用壁面喷流的高升力环量控制翼的研制进行了大量的研究，包括翼型选择、尾缘圆柱半径大小、射流喷缝位置和高度以及其它影响因素。他们的一些研究成果可在Englar(1975)提出的一篇AD报告中见到。在风洞试验对环量控制翼取得成果的基础上，飞行试验也在1979年获得成功。

风洞试验和飞行试验证明，只要利用发动机废气对机翼壁面切向喷流所构造的环量控制翼(简称CCW)，能获得比通常具有翼的机翼还要大3倍以上的升力。而鉴于所存在的一些问题(如阻力增大、射流能量能否更充分利用以及射流吸力峰区对机翼产生负的俯仰力矩等等)为改进其性能的进一步研究工作仍在继续地进行，如Harvell和Franke(1985)的双孔射流装置，Englar(1984)的小尾半径环量控制翼的提出。

中国武汉水运工程学院流体力学教研室研究小组所作的试验表明(1990)，小展弦比环量控制翼的三维效应极为严重，并开展了如何抑制三维效应的研究。武汉水运工程学院对环量控制翼在船舶上应用的研究已指出，可控环量船用舵具有极其优良的船舶慢速和微速运动中操纵性能，即使不用舵操纵船舶也可以实现此性能。

利用壁面喷流能有效地控制夹在流层间的纵向涡，而涡的控制对许多工业领域有重要的潜在意义，如改善空气动力学特性、提高船舶推进效率、减小阻力、控制和衰减噪音以及改善热传导性能。在这些方面虽然已有一些实际应用，但壁面射流对涡运动产生的效应内在机制的认识尚少，当前正在开展这方面的研究工作。

如Ligrani和Schwartz(1990)对射流孔的几何形状和方向、射流直径与涡大小、射流孔位置与涡位置、射流强度与涡环量的影响关系开展了一些试验研究。

综上所述，对壁面射流及其应用的研究仍在继续发展中，根据工业流体力学的应用和发展需要，以及根据1986年美国NASA AMes研究中心召开的环量控制工作会议所提出的25篇论文等资料，本课题当前研究的热点认为有以下几方面：(1)继续开展环量控制翼的试验研究和理论研究。在理论计算预测其性能方面对适用的湍流模型需要进一步改进。在试验研究方面应与理论研究相结合查明壁面射流的兰维效应的机理，并探讨抑制三维效应的方法，这将直接影响环量控制翼的性能的提高。

环量控制翼的试验研究和理论研究将是多方面的，它作为一项应用技术，开创新的喷射技艺，提出新的喷射概念、始终将受到重视。环量控制翼应用于直升飞机的旋翼已取得成功，可控环量的旋翼研究也成为今后研究的一个热点。

(2)开展壁面射流与涡的相互作用的机理研究，对利用壁面射流在传热、减阻、降噪音以及提高飞机、船舶推进性能方面，将会起进一步促进作用。(3)在各个工业领域尚存在广泛应用的潜力，小至汽车玻璃窗除雨和除尘、高温叶片的薄膜冷却、机翼和浆叶性能控制等等；大至高炉流道、水面加速、船体线型设计等等都存在应用前景，有的尚待我们进一步的开发和研究。

。【参考文献】：

1 Forhmann E. Ing Arch. 1934. 5:42

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(武汉交通科技大学王献孚教授撰)