射流冲击旋转壁面主要应用于各类机械的加热或冷却领域,如金属退火、玻璃回火、涡轮叶片冷却、航空电子冷却、电子封装、学气相沉积等过程。而流动特性是影响传热特性的根本因素。因此,对射流冲击旋转壁面耦合流动进行研究具有重要的工程应用背景和学术价值。本文采用数值计算与粒子图像测速(PIV)实验相结合的方法,对不同参数下射流冲击旋转壁面的流动特性和冲击压力进行了深入研究。研究参数包括雷诺数Re、冲击高度H、壁面转速n和脉冲周期T。主要研究结果如下:(1)对不同雷诺数和冲击高度下的连续射流冲击静止壁面进行数值计算和PIV实验研究,发现射流流动结构取决于冲击高度,而相对独立于雷诺数。随着冲击高度的增加,到达冲击区的射流扩散程度逐渐增大,其速度逐渐减小。冲击壁面上压力系数主要集中在-2≤x/D≤2范围内的冲击区域。随着冲击高度的增加,最大压力系数逐渐减小,并且减小的速度逐渐增加;无量纲压力分布几乎不变。(2)对不同雷诺数和冲击高度下的连续冲击射流的冲刷特性进行冲沙实验研究,发现随着冲击高度的增加,形成的沙坑面积明显上升趋势,而沙丘宽度变化不明显;沙丘为近似圆形,不同位置宽度相近。随着雷诺数的增加,沙坑宽度和沙丘宽度呈上升趋势,而沙坑极值和沙丘极值出现波动。(3)对不同壁面转速下的连续射流冲击旋转壁面进行数值计算研究,发现壁面旋转主要影响壁面射流区,而对自由射流区和冲击区影响较小。随着圆盘转速的增加,涡旋中心逐渐向圆盘壁面靠近,直至圆盘边缘附近;径向位置较大处近壁区速度径向分量和周向分量逐渐线性增大。圆盘转速不影响圆盘中心区域冲击压力系数分布。(4)对不同冲击高度下的连续射流冲击旋转壁面进行数值计算研究,发现随着冲击高度的增加,近壁区域的流动结构基本不变,距离冲击壁面较远处流动逐渐变得不规则,出现涡旋结构;径向位置较小时,速度径向分量极大值逐渐减小,并且逐渐远离射流中心。速度周向分量的径向分布几乎不变。圆盘壁面上平均冲击压力系数逐渐减小,且减小的幅度先增大后减小。(5)对脉冲射流冲击旋转壁面进行数值计算研究,发现射流流体与周围环境流体在剪切作用下产生质量、动量和能量的交换,剪切层附近流体的速度逐渐减小,射流内部速度径向分布发生改变;冲击壁面上冲击压力先增大后减小,有效冲击面积不变。(6)对不同雷诺数、壁面转速和脉冲周期下的脉冲射流冲击旋转壁面进行数值计算研究,发现射流中轴线上无量纲速度和冲击壁面上压力变化趋势受雷诺数和脉冲周期影响较大,而相对独立于壁面转速。随着雷诺数和脉冲周期的增大,射流中轴线上无量纲速度和冲击壁面上压力变化出现过渡区,过渡区内的速度和压力逐渐向稳态连续射流冲击壁面的速度和压力发展。脉冲射流由于水锤效应,对冲击壁面产生大于连续射流冲击壁面压力的冲击压力。