矩形長寬比對(duì)射流中心線湍流特性的影響

馬梓然，徐敏義，欒 劍，劉曉鵬，趙飛飛

（大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧大連 116026）

矩形長寬比對(duì)射流中心線湍流特性的影響

馬梓然，徐敏義＊，欒 劍，劉曉鵬，趙飛飛

（大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧大連 116026）

采用熱線風(fēng)速儀技術(shù)，測(cè)量了在出口雷諾數(shù)15，000條件下的不同長寬比（AR＝1～15）矩形射流中心線速度場(chǎng)。主要分析了矩形射流中心線上平均速度、頻譜、湍流尺度等變化規(guī)律。結(jié)果表明：隨著長寬比的增加，射流的脈動(dòng)速度和湍流度在出口之后會(huì)顯著增強(qiáng)，反映了卷吸周圍流體能力顯著增強(qiáng)。隨著射流向下游發(fā)展（x／De＞30），不同長寬比的矩形射流湍流能譜、概率密度函數(shù)、湍流尺度等統(tǒng)計(jì)量逐漸趨近于圓形射流規(guī)律，這是由于射流演化遵循動(dòng)量向周圍流體更高效傳遞的原理。

矩形射流；湍流度；頻譜；湍流尺度

0 引 言

相比于圓形射流，非圓形射流整體上能夠更有效地卷吸周圍流體，進(jìn)而意味著更有效地混合［1］，這種性質(zhì)使得非圓形射流在過程工業(yè)中有著重要的應(yīng)用（比如燃燒器，混合器等），因此在過去幾十年中被廣泛地研究［1-10］。

作為一種典型的非圓形射流，矩形射流的流動(dòng)與混合特性受到國內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注［3，4，11-17］。Quinn［8，11］采用熱線測(cè)量了高長寬比矩形孔口射流，給出平均速度場(chǎng)和脈動(dòng)速度場(chǎng)的特征，與圓形射流進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)高長寬比矩形射流具有更好的湍流混合效果。Tsuthiya等人［15］研究了出口雷諾數(shù)對(duì)長寬比小于5的矩形射流流場(chǎng)的影響。矩形射流能夠增強(qiáng)混合的主要機(jī)理在于其非均勻的曲率，以及方位渦與流向渦之間的相互作用引起渦環(huán)的自誘導(dǎo)變形［1］。對(duì)于矩形射流，它們的長寬比大于1，初始渦結(jié)構(gòu)的曲率變化導(dǎo)致非均勻的自誘導(dǎo)變形和三維結(jié)構(gòu)。由于自誘導(dǎo)作用，小曲率半徑的渦環(huán)將以更快的速度向下游傳遞，也將更快地?cái)U(kuò)散。由于渦環(huán)的最小曲率半徑出現(xiàn)在長軸平面，而最大曲率半徑出現(xiàn)在短軸平面，因此短軸將以更快的速度發(fā)展，導(dǎo)致在距離出口一定位置處產(chǎn)生“軸變換”現(xiàn)象［12-15，18］。也就是說，隨著這種流動(dòng)向下游發(fā)展，它們的橫截面平均流場(chǎng)呈現(xiàn)類似于噴嘴形狀，但是圍繞中心軸連續(xù)地以射流噴嘴特征角度旋轉(zhuǎn)。這種“軸變換”現(xiàn)象在橢圓、矩形等非圓形射流中是一種普遍存在的現(xiàn)象。

Gutmark等人［5］先后在冷態(tài)和反應(yīng)流中研究方形和三角形射流的混合和燃燒效果，也發(fā)現(xiàn)了軸變換現(xiàn)象，同時(shí)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于包含尖角的射流裝置，這些尖角促使小尺度流向渦的產(chǎn)生，進(jìn)而增強(qiáng)小尺度湍流。他們建議，噴嘴尖角產(chǎn)生的小尺度湍流與噴嘴平邊產(chǎn)生的大尺度運(yùn)動(dòng)相結(jié)合，對(duì)于一些燃燒應(yīng)用是有益的。

非圓形射流的以上現(xiàn)象也在很多數(shù)值模擬中得到證實(shí)，Tam和Thies［16］以及Grinstein［3］等人對(duì)于矩形射流進(jìn)行模擬驗(yàn)證，Miller等人［10］對(duì)幾種射流進(jìn)行了模擬，Gutmark和Grinstein［1］對(duì)包括矩形射流在內(nèi)的多種非圓形射流的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究進(jìn)行了綜述。Mi等人［6，10］系統(tǒng)對(duì)比了9種形狀非圓形射流中心線上的統(tǒng)計(jì)特性。他們指出無法將進(jìn)流條件與實(shí)驗(yàn)誤差完全區(qū)別開，因此直接對(duì)比不同實(shí)驗(yàn)設(shè)備產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在困難。而射流進(jìn)流條件，比如噴嘴類別［17，19-22］，雷諾數(shù)［23-24］大小等，對(duì)射流下游，甚至是遠(yuǎn)場(chǎng)自相似區(qū)都起著重要作用。同樣地，測(cè)量結(jié)果對(duì)設(shè)備的依賴性也被前人指出［26］。為此，Mi等人利用相同的實(shí)驗(yàn)裝置和熱線風(fēng)速儀，測(cè)量了一種減縮圓形射流在8種不同形狀孔口時(shí)射流的中心線速度。孔口的面積相同，因此等效直徑De相同。基于De和出口截面平均速度的雷諾數(shù)均為15000。報(bào)道了射流中心線上平均速度、脈動(dòng)速度均方根值、不同長度尺度、能譜、概率密度函數(shù)，以及其他高階統(tǒng)計(jì)量。值得注意的是，Mi等人采用的非圓形孔口射流有著顯著的應(yīng)用意義，而且，一些研究［21，27-28］表明矩形射流比減縮噴嘴射流能夠卷吸更多的流體。馮云松［31］等人基于N-S方程和RNG湍流模型，采用Fluent-CD軟件對(duì)長寬比分別為1、2、4和8的4種矩形尾噴管三維外流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了矩形尾噴管羽流橫截面等溫線的特點(diǎn)和寬高比對(duì)羽流高溫核心區(qū)長度的影響。張勃等人［32］采用熱線風(fēng)速儀對(duì)不同寬高比圓轉(zhuǎn)矩形收斂噴管射流寬、窄對(duì)稱面上的湍流強(qiáng)度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，表明寬高比的不同對(duì)噴管射流流場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生較大的影響。并著重分析了流場(chǎng)中各典型截面上流場(chǎng)速度的分布特點(diǎn)、脈動(dòng)速度分量的特征，驗(yàn)證了流向速度的展向分布轉(zhuǎn)變過程。Bejan、 Ziaei［33］等人對(duì)矩形射流向圓形射流演化進(jìn)行研究，基于構(gòu)形理論，提出了矩形射流演化成圓形射流的臨界距離，即不論噴嘴幾何形狀如何，射流都會(huì)在可預(yù)測(cè)的特定位置演變成圓形橫截面，使得動(dòng)量更高效地從主射流向周圍流體傳遞。

雖然前人對(duì)矩形射流已經(jīng)進(jìn)行了一些研究，但是主要局限于對(duì)平均速度場(chǎng)和脈動(dòng)速度場(chǎng)的分析，對(duì)不同長寬比的矩形射流多尺度湍流統(tǒng)計(jì)量的影響研究較少。這些問題的解決，對(duì)矩形射流的實(shí)際工程應(yīng)用有重要價(jià)值。因此本文對(duì)噴嘴等效直徑相同、出口雷諾數(shù)均為15000的5種矩形孔口射流（長寬比頂角分別為1、2、5、10、和15）以及圓形孔口射流進(jìn)行流場(chǎng)顯示與速度場(chǎng)測(cè)量，系統(tǒng)研究矩形射流的渦結(jié)構(gòu)、平均速度場(chǎng)、脈動(dòng)速度場(chǎng)、湍動(dòng)能譜和湍流尺度等演變規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)介紹

本文采用的射流實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。射流實(shí)驗(yàn)裝置主要由變頻器、風(fēng)機(jī)、整流箱、噴嘴、熱線探頭、熱線風(fēng)速儀、三相位移電機(jī)，計(jì)算機(jī)等器件組成。通過使用基于LabVIEW程序的計(jì)算機(jī)來控制變頻器，再通過變頻器控制風(fēng)機(jī)電壓，使風(fēng)機(jī)產(chǎn)生出口流量和風(fēng)速可定的恒溫氣流。風(fēng)機(jī)出口連接了一個(gè)2m長的整流箱，內(nèi)部裝設(shè)金屬網(wǎng)格和蜂窩狀格柵，平行于主流方向的長段蜂窩格柵可以減少流體卷曲，金屬網(wǎng)格能夠有效降低氣流的橫向湍流度和軸向的湍流度，抑制來流的脈動(dòng)，破碎大渦，并減少湍流邊界層對(duì)速度的影響。氣流通過柵格可以減少湍流邊界層對(duì)速度的影響，流動(dòng)狀態(tài)更加穩(wěn)定，來流條件更加明確，減少干擾因素，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更具有代表性。熱線探頭固定在三維坐標(biāo)架上，所測(cè)流場(chǎng)范圍為x／De＝0～50，De是矩形射流出口噴嘴等效直徑。

圖1 射流實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 The schematic diagram of jet experiment

所有實(shí)驗(yàn)均在同一個(gè)矩形噴嘴等效直射流裝置上進(jìn)行，該裝置放置在一個(gè)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)室中，實(shí)驗(yàn)操作時(shí)的室內(nèi)溫差控制在±2℃，同時(shí)，實(shí)驗(yàn)室可以確保測(cè)量不受外界聲音和振動(dòng)的干擾。實(shí)驗(yàn)室空間體積為l×w×h＝63m3，射流裝置與地面平行放置于實(shí)驗(yàn)室中部。房間高度與射流出口直徑比為l／De＝300，房間橫截面積與射流出口面積比約為57300，射流出口距地面為1.5m（150De），距墻壁為4m（400De）。

實(shí)驗(yàn)中采用單熱線測(cè)量射流流向速度分量，熱線探頭為直徑2.5μm的沃拉斯頓線，長度約1mm，探頭接于恒溫?zé)峋€風(fēng)速儀，過熱系數(shù)為1.5。電壓信號(hào)經(jīng)過濾波、放大后，由1塊12-bit A／D轉(zhuǎn)換板采集入電腦，實(shí)驗(yàn)設(shè)置的采樣頻率為50000Hz，采樣時(shí)間為120s，熱線標(biāo)定在射流出口處的勢(shì)核區(qū)中進(jìn)行。標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速由連接于數(shù)字微壓計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)皮托管得到，數(shù)字微壓計(jì)量程為0～50m／s。皮托管與熱線探頭對(duì)稱地放置于射流出口處，皮托管直徑為2mm，熱線探頭支架直徑為1mm，兩者橫截面積與射流出口橫截面積比約為1.25%，為避免標(biāo)定時(shí)皮托管或熱線探頭相互影響，考慮兩者直徑很小，參考文獻(xiàn)［24］，確定兩者距離不小于8mm。考慮到射流中心線瞬時(shí)速度會(huì)高于平均速度，確定熱線標(biāo)定速度范圍為所測(cè)流場(chǎng)最大風(fēng)速的2倍。標(biāo)定曲線采用三階多項(xiàng)式，實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)熱線測(cè)量值漂移大于0.2m／s時(shí)停止實(shí)驗(yàn)，重新標(biāo)定。需要指出的是，高頻噪聲對(duì)小尺度的影響非常大，因此本文應(yīng)用米建春等人［27-29］提出的數(shù)字迭代濾波方法有效地將信號(hào)中的高頻噪聲濾除。

本實(shí)驗(yàn)研究的是矩形自由射流，其噴嘴尺寸如圖2所示，壓縮空氣通過一段圓管，然后從矩形孔出來形成矩形射流。噴嘴出口采用45°倒角、向外突擴(kuò)的形式，等效直徑為10mm，如圖2（a）所示。需要注意的是，此圓管橫截面積與孔口面積的比值很小（γ≈4.5），因此與傳統(tǒng)γ值很大（比如文獻(xiàn)［4］中γ≈22.8）的孔口射流相比，出口條件可能明顯不同，但是本孔口γ值更接近實(shí)際工程應(yīng)用。射流出口雷諾數(shù)為Re（!UjDe／ν）＝15000，其中Uj為出口平均速度，De為等效直徑，ν為流體運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)。在x／De＝20位置處，主要統(tǒng)計(jì)量的最大不確定度范圍如下：平均軸向速度［U］≈"0.5%；RMS速度［〈u2〉1／2］≈±1.5%；湍動(dòng)能耗散率［ε］≈"8.5%。

為了能夠更換出口矩形的尺寸，本實(shí)驗(yàn)將矩形出口使用螺絲進(jìn)行固定。長寬比值（AR）分別是1、2、5、10和15，在周邊設(shè)計(jì)了6個(gè)螺絲孔，用于固定和方便更換出口片。

圖2 噴嘴尺寸Fig.2 The dimensional of nozzles

2 結(jié)果與討論

2.1 中心線平均速度

圖3 矩形和圓形射流中心線速度衰減Fig.3 Centreline evolutions of velocity decay for the jets

當(dāng)射流發(fā)展到x／De＞10，平均速度衰減的線性特征明顯，從圖中可以看出圓形和矩形射流的速度衰減差別并不是很大，射流中的斜率基本保持不變，值都會(huì)在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)（x／De＞10）單調(diào)遞增，不同長寬比射流的衰減率會(huì)逐漸變成一條直線，該直線區(qū)域稱之為自相似區(qū)，是速度穩(wěn)定發(fā)展的區(qū)域，也是矩形射流演變成圓形射流的區(qū)域。因此，該區(qū)域的數(shù)據(jù)被擬合成線性回歸方程，

式中：B為速度衰減率，De為噴嘴的等效直徑，xu為軸線絕對(duì)位置的零點(diǎn)。

表1給出了圓形和不同長寬比矩形射流平均速度衰減率。同時(shí)，也給出了Mi等人［2］的相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。比較發(fā)現(xiàn)，矩形射流的衰減率略高于圓形射流，意味著矩形射流在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的擴(kuò)散率較大。但不同長寬比矩形射流的擴(kuò)散率基本相同，并且本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Mi等人的結(jié)果一致。

表1 不同形狀噴嘴平均速度衰減特性Table 1 Mean streamwise centreline velocity decay parameters on the jet centerline for jets

2.2 中心線湍流度特性

圖4顯示了射流中心線上的湍流度特性，它是衡量射流混合程度強(qiáng)弱的重要指標(biāo)。湍流度越大，射流與周圍流體摻混能力越強(qiáng)。圖中，u′c是中心線脈動(dòng)速度的均方根值表示u的平均值。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著對(duì)流和擴(kuò)散現(xiàn)象的發(fā)生，射流湍流度在射流近場(chǎng)區(qū)（x／De＜5）迅速增長，湍流度明顯增高，反映了矩形射流與周圍流體發(fā)生的卷吸和摻混作用增強(qiáng)。隨著矩形長寬比的增加，矩形射流在近場(chǎng)區(qū)（x／De＝5）射流湍流度存在一個(gè)明顯的峰值，表明近場(chǎng)區(qū)卷吸形成的大尺度渦結(jié)構(gòu)破碎成小尺度渦結(jié)構(gòu)，引起強(qiáng)烈的湍流脈動(dòng)。

圖4 矩形射流和圓形射流中心線湍流度Fig.4 Centreline evolutions of the turbulence intensity in the jets

隨著射流向下游發(fā)展到達(dá)遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)（x／De＞20），矩形射流湍流度趨于常數(shù)，保持在0.20～0.24范圍內(nèi)，并且與圓形射流的湍流度一致。這表明湍流度已經(jīng)進(jìn)入自相似流動(dòng)階段，但相比于平均速度場(chǎng)，湍流度在較遠(yuǎn)的位置進(jìn)入自相似階段較遠(yuǎn)。

2.3 概率密度函數(shù)

圖5 圓形和矩形射流中心線速度概率密度函數(shù)分布（實(shí)線表示高斯分布）Fig.5 Centreline evolutions of theuPDF in the jets and full lines denote the Gaussian distribution密度

圖5顯示了圓形和矩形噴嘴射流中心線的概率函數(shù)p（u）的分布情況，x軸方向脈動(dòng)速度分量u的統(tǒng)計(jì)量可以通過概率密度函數(shù)（PDF）表達(dá)出來，

同時(shí)圖中加入標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布

作為參考。

式中：u是脈動(dòng)速度x方向分量，u′是脈動(dòng)速度均方根值。從圖中可以看出，在不同噴嘴情況下，x／De＝1時(shí)，p（u）近似于G（u），但是在3＜x／De＜5范圍內(nèi)，矩形射流和圓形射流的p（u）偏離高斯分布。這是由于近場(chǎng)區(qū)卷吸的渦結(jié)構(gòu)在5De下游處破裂成小尺度渦結(jié)構(gòu)，引起強(qiáng)烈的湍流脈動(dòng)。隨著x／De的進(jìn)一步增加，由于矩形射流和圓形射流與環(huán)境流體的充分混合，中心線的p（u）重新趨于高斯函數(shù)分布，但由于射流持續(xù)卷吸環(huán)境中的靜止流體，p（u）不可能變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)高斯分布。

為了量化p（u）與高斯函數(shù)的關(guān)系，采用偏斜因子和平坦因子分別表示速度測(cè)量結(jié)果的概率密度函數(shù)的對(duì)稱性和平坦程度。計(jì)算得到的Su和Fu都是基于高采樣量的統(tǒng)計(jì)分析，高采樣量才能保證概率密度函數(shù)實(shí)現(xiàn)收斂。本文的各個(gè)圖像都是每組采樣數(shù)50000，采樣26組得到的，即采樣量為150000，符合高采樣量的要求。

圖6顯示了圓形和矩形噴嘴射流中心線的偏斜因子Su和平坦因子Fu的變化規(guī)律。圖中可以看出，在0＜x／De＜10時(shí)，矩形和圓形射流都存在一個(gè)局部峰值出現(xiàn)在射流的勢(shì)流核尾段附近，這是由于卷吸形成的大尺度渦結(jié)構(gòu)破碎成小尺度渦結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致湍流脈動(dòng)增強(qiáng)。這也對(duì)應(yīng)了p（u）明顯偏離高斯函數(shù)的分布，隨著長寬比的增加，峰值逐漸向上游移動(dòng)，矩形射流Fu的最大值（近似Su的最小值）出現(xiàn)在x／De≈3處，圓形射流的最大值出現(xiàn)在x／De≈6。隨著射流向下游發(fā)展（x／De＞10），矩形射流和圓形射流的Su和Fu函數(shù)分別趨于0.1和2.9，與高斯分布的Su＝0和Fu＝3非常接近，但這種微小的差別是由于射流持續(xù)卷吸環(huán)境中的靜止流體，存在湍流間歇性。

圖6 圓形和矩形射流偏斜因子與平坦因子沿中心線的變化Fig.6 Centreline evolutions of flatness and skewness in the jets

2.4 頻譜特性

圖7顯示了圓形和矩形噴嘴射流的中心線能量頻譜Φu，即。從圖8中可以看出，圓形射流和矩形射流在近場(chǎng)區(qū)存在明顯的峰值，矩形射流和圓形射流對(duì)應(yīng)的頻率分別約為1400和1100Hz，這表明射流剪切層中形成持續(xù)脫落的大尺度渦結(jié)構(gòu)，射流剪切層失穩(wěn)，形成了大尺度渦環(huán)結(jié)構(gòu)，引起脈動(dòng)速度周期性變化，對(duì)應(yīng)的無量綱脫落頻率f＊＝fDe／Uc＝0.5。同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)圓形射流的波動(dòng)較矩形射流更明顯，表明圓形射流的周期性更強(qiáng)，而矩形射流的三維性更強(qiáng)。

圖7 圓形和不同長寬比矩形射流中心線頻譜分布Fig.7 Centerline spectra distribution of different jets

隨著射流向下游發(fā)展，渦環(huán)結(jié)構(gòu)破碎成小尺度渦結(jié)構(gòu)，因此當(dāng)x／De＞5時(shí)，湍動(dòng)能譜峰值消失。同時(shí)，我們還可以看到，隨著長寬比的增大，頻譜峰值更早地削弱。這表明較大長寬比的矩形射流近場(chǎng)區(qū)渦結(jié)構(gòu)更早地破碎。

圖8顯示了圓形射流和矩形射流在x／De＝30處的湍流能譜分布，可以發(fā)現(xiàn)湍流動(dòng)能從含能區(qū)（低頻）經(jīng)過慣性區(qū)傳遞到耗散區(qū)（高頻）。從圖8（a）中可以看出，這些頻譜在慣性區(qū)（20Hz≤f≤300Hz）呈現(xiàn)冪律分布，即。然而冪指數(shù)m低于Kolmogorov提出的5／3，而接近于1.5，這是由于本文的雷諾數(shù)較小的緣故。圖8（b）展示的是m＝1.5和5／3時(shí)的補(bǔ)償頻譜。這種現(xiàn)象也在其他文獻(xiàn)中發(fā)現(xiàn)，如 Mi等人［2］在多種非圓形射流中也觀察到m≈1.5的現(xiàn)象。因此可以認(rèn)為噴嘴形狀對(duì)冪指數(shù)的影響較弱。

圖8 圓形和矩形射流在x／De≈30處中心線頻譜Fig.8 Centreline spectra of jets obtained atx／De≈30

2.5 湍流尺度特性

圖9顯示的是圓形射流和矩形射流中心線上湍流積分尺度、Taylor尺度和Kolmogorov尺度沿中心線的變化規(guī)律。積分尺度，Taylor尺度和Kolmogorov尺度用來分別表示湍流結(jié)構(gòu)的大尺度、小尺度和最小尺度的特征。本文的積分長度尺度L是由積分時(shí)間尺度基于泰勒凍結(jié)湍流假設(shè)粗略估計(jì)得來的，關(guān)系式如下：

τ0對(duì)應(yīng)自相關(guān)函數(shù)［u（t）u（t＋τ）］的第1個(gè)零點(diǎn)。Taylor微尺度是通過得出的。Kolmogorov尺度η≡ν3／ε1／4是通過局部各向同性假設(shè)實(shí)現(xiàn)的，其中ε是湍流動(dòng)能的平均耗散率。

其中圖9（a）展示了不同射流的L／De的結(jié)果，可以看出，圓形與矩形射流的積分尺度差異較為明顯。矩形射流積分尺度大于圓形射流，表明矩形射流具有更大的含能尺度，隨著射流向下游發(fā)展，差別逐漸減小。從圖9（b）、（c）可以看到，在射流中下游，λ／De和η／De的值隨x軸呈線性增長，矩形射流Taylor尺度和Kolmogorov尺度均高于圓形射流，這與積分尺度的規(guī)律一致，但是隨著尺度的減小，這種差別逐漸減小，說明噴嘴形狀對(duì)湍流大尺度統(tǒng)計(jì)量影響較大，而對(duì)湍流小尺度統(tǒng)計(jì)量影響較小。進(jìn)一步表明大尺度湍流特性會(huì)對(duì)出口條件的改變更為敏感，這是因?yàn)槌隹跅l件對(duì)下游射流發(fā)展的任何影響都是由初始的渦結(jié)構(gòu)通過大尺度運(yùn)動(dòng)傳遞的，它們與外圍流體相互作用及自身分解，在遠(yuǎn)場(chǎng)形成小尺度渦結(jié)構(gòu)并與環(huán)境流體相互作用。

圖9 圓形和矩形中心線特征尺度函數(shù)Fig.9 Centerline evolutions of turbulent，andfor jets

3 結(jié) 論

基于熱線風(fēng)速儀技術(shù)，測(cè)量了不同長度比（AR＝1～15）的矩形射流中心線速度場(chǎng)，分析了矩形射流中心線上平均速度、頻譜、湍流尺度等變化規(guī)律，主要得出以下結(jié)論：

（1）隨著長寬比增大，射流近場(chǎng)區(qū)（0＜x／De＜10）的平均速度衰減顯著增強(qiáng)。隨著射流向下游發(fā)展，當(dāng)x／De＞30時(shí)，矩形射流和圓形射流進(jìn)入自相似狀態(tài)，受噴嘴形狀的影響減弱，并且它們的速度衰減率非常接近。

（2）在射流近場(chǎng)區(qū)（0＜x／De＜10），高長寬比矩形射流湍流度迅速增強(qiáng)，意味著射流的卷吸和摻混能力更強(qiáng)。但長寬比對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)（x／De＞30）中心線速度湍流度影響較小。

（3）隨著射流向下游發(fā)展（x／De＞30），不同長寬比的矩形射流湍流能譜、概率密度函數(shù)、Taylor尺度和Kolmogorov尺度等統(tǒng)計(jì)量趨近于圓形射流特性，這與Bejan等人對(duì)射流都會(huì)演變成圓形橫截面射流的研究結(jié)論一致，即使得動(dòng)量更高效地從主射流向周圍流體傳遞。

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Statistical properties of turbulent free jets issuing from rectangular nozzles with different aspect ratios

Ma Ziran，Xu Minyi＊，Luan Jian，Liu Xiaopeng，Zhao Feifei
（Marine Engineering College，Dalian Martime University，Dalian Liaoning 116026，China）

This paper reports the experimental investigation of the turbulence characteristics of the free air jets issuing from rectangular orifices with different aspect ratios（AR＝1～15）.The velocity was measured by a hot-wire anemometer with the exiting Reynolds number（Re）being 15，000for all jets，based on the equivalent diameter of the rectangular orifices.This paper mainly analyzes the evolution of centerline average velocity，frequency spectrum，turbulence scale along the centerline of rectangular jets.The results show that the centerline mean velocity decays faster and the turbulence intensity grows higher asARincreases.With jet flows developing downstream（x／De＞30），the turbulence energy spectrum，probability density function and turbulence length scales of rectangular jets approach to those of circular jets.The principle for this phenomenon is that the momentum from the jet always spreads into still surroundings in more efficient way.

rectangular jet；turbulence；spectrum；turbulence scales

O358

A

（編輯：張巧蕓）

2016-07-24；

2016-09-05

國家自然科學(xué)基金（51506019）；遼寧省自然科學(xué)基金（2012025012）

＊通信作者E-mail：xuminyi＠dlmu.edu.cn

MaZR，XuMY，LuanJ，etal.Statisticalpropertiesofturbulentfreejetsissuingfromrectangularnozzleswithdifferentaspectratio.JournalofExperimentsinFluidMechanics，2017，31（1）：54-61.馬梓然，徐敏義，欒 劍，等.矩形長寬比對(duì)射流中心線湍流特性的影響.實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2017，31（1）：54-61.

1672-9897（2017）01-0054-08

10.11729／syltlx20160116

馬梓然（1992-），男，遼寧遼陽人，碩士研究生。研究方向：輪機(jī)工程。通信地址：大連海事大學(xué)輪機(jī)樓223（116026）。E-mail：223706576＠qq.com