《European Journal of Mechanics - B/Fluids》：Optimization of Sweeping Jet Cooling via Fluidic Oscillator: A Parametric Study
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本研究系统考察了受限几何结构中冲击射流流体振荡器的热流体性能，通过模拟分析喉道直径(D)、喉道至表面距离(H/D)、喷嘴角度(θ)和雷诺数(Re)对压力损失(Δp)和努塞尔数(Nu)的影响。结果表明：H/D从3增至4时Nu下降4%，θ=60°时Nu最高达2%提升，D增大导致Nu非线性变化，Re增大显著提高Nu但增加Δp。最终通过神经网络优化，确定了最佳参数组合H/D=2.6、θ=60.7°、Re=8736.2、D=5.3mm，实现热效率与压力损失的平衡优化。
M. Khodkameh|N. Amanifard|F. Dolati|M. Abdollahzadehsangroudi
伊朗拉什特市吉兰大学机械工程学院热流体系
摘要
本研究系统地探讨了在受限几何结构中运行的流体振荡器在冲击射流系统中的应用，重点关注压力损失和传热现象。通过模拟分析了雷诺数（Re）、喉部到表面的距离（H/D）、喷嘴角度（θ）以及喉部直径（D）等参数对压力损失和努塞尔特数（Nu）的影响。分析表明，几何形状和流动参数显著影响了流体振荡器的热流体动力学性能。当喉部到表面的距离（H/D）从3增加到4时，平均努塞尔特数（Nu）下降了4%，表明在较大间距下传热效率降低。值得注意的是，努塞尔特数与喷嘴角度（θ）的关系是非线性的，当喷嘴完全移除时，其性能优于喷嘴角度为60°的配置，因为这减少了流动阻碍。努塞尔特数与喉部直径的关系也呈现非线性趋势，当喉部直径从3.5毫米增加到4.5毫米时，流体振荡器的传热效率最多提高了2%。同时，雷诺数（Re）的增加显著提升了热性能，使努塞尔特数提高了37%，但这种提升是以压力损失增加为代价的，压力损失与H/D、θ、D和Re成正比。这些结果突显了流体振荡器在传热增强与流体动力学效率之间的关键权衡。最后，采用基于神经网络的优化框架来确定流体振荡器的最佳运行条件，实现了热性能提升与压力损失最小化之间的最佳平衡。该优化框架确定的最佳参数为：喉部到表面距离H/D = 2.6，喷嘴角度θ = 60.7°，雷诺数Re = 8736.2，喉部直径D = 5.3毫米。
引言
流体振荡器是一种通过流体动力学相互作用产生连续流动振荡的主动机制，主要利用科安达效应而非机械部件。这种机制无需运动部件即可实现连续的周期性流动切换[1]、[2]、[3]。流体振荡器发明于20世纪50年代，由于其可靠性、结构简单和维护要求低等优点而受到研究人员的广泛关注[4]、[5]、[6]。多年来，人们提出了多种流体振荡器设计并进行了研究[4]、[7]、[8]，其中“曲面附着”类型的流体振荡器受到了更多关注[4]、[9]。流体振荡器已在噪声控制、流量测量、喷灌、分离控制、燃烧控制、薄膜冷却和传热等多个领域得到应用[4]、[5]、[6]、[10]、[11]。
在汽车、发电、制造、电子和航空航天等众多行业中，管理传热是一个至关重要的方面。随着技术的进步，对更高效、更紧凑的热系统的需求显著增加[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。为满足这一需求，研究人员采用了多种技术来提高传热效率[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]。在这些技术中，流体振荡器作为一种创新方法在冲击射流应用中尤为突出。
He等人[25]研究了使用雾气-空气流体振荡器来增强凹表面上的传热效果。他们的结果表明，在较低雷诺数下，雾气-空气比干空气更有效，使得目标板的平均温度降低了7.1%（雷诺数Re = 20,000时）。此外，随着液滴直径减小、湿度增加以及流体振荡器与表面距离的缩短，中心点的温度也会降低。Tu等人[26]将流体振荡器应用于涡轮叶片的前缘，发现扫掠射流在狭窄和较宽的流体振荡器与目标表面距离（H/D = 1和H/D = 5）下均优于稳定射流，而在中等距离（H/D = 3）下稳定射流表现更好。在狭窄距离下，垂直放置的流体振荡器（0°）比倾斜放置的（45°和90°）配置具有更好的性能；而在较大距离下则相反。Rezaei等人[8]比较了基于涡流的流体振荡器、曲面流体振荡器和传统射流在凹表面上的传热效果，发现基于涡流的流体振荡器在传热和流动特性方面优于曲面流体振荡器和传统射流。此外，基于涡流的流体振荡器能够保持连续的流动振荡，而曲面流体振荡器在振荡周期中会出现中断。Gomes等人[27]通过实验研究了流体振荡器在平板上增强传热的效果，雷诺数范围从层流到湍流。结果表明，在层流状态下振荡射流优于稳定射流，而在湍流状态下稳定射流表现更佳。Eid和Ismael[28]研究了曲面多孔层对加热表面上振荡射流热性能的影响，发现当达西数大于10?3时，曲面多孔层的效果更好，使努塞尔特数提高了5%。理查森数和频率的增减会对努塞尔特数产生轻微影响，而振幅参数则会显著降低努塞尔特数。Wang等人[29]研究了双壁结构中的不对称流体振荡器在燃气涡轮叶片中的应用，发现改变出口宽度、反馈通道宽度和出口角度可以显著提高传热速率；而改变反馈通道长度对传热性能的影响较小。他们还观察到，当反馈通道宽度和长度减小以及出口角度增大时，最大振荡角度会降低。根据表1，大多数研究表明最佳热性能出现在最接近表面的位置。此外，H/D的影响会因运行条件而异，喷嘴角度对努塞尔特数的影响也不呈线性关系。H/D和喷嘴角度都体现了流体振荡器的非线性特性，表明仅研究有限的情况不足以确定所研究范围内的最佳运行点。
在冲击射流系统中，提高热效率同时最小化压力损失（压力损失与泵的功耗直接相关）仍然是一个重要挑战。尽管热效率已得到广泛研究，但文献中常常忽视了压力损失的问题。文献指出，垂直放置的流体振荡器在狭窄空间内效率最高；然而，关于这一主题的综合性研究仍然有限。文献强调，仅研究目标范围内的少数几个点无法得出可靠的最佳点，因为流体振荡器的非线性特性。尽管流体振荡器的传热性能已得到充分研究，但对其设计进行优化以获得最大效率的努力仍然不足。因此，本研究旨在通过以下方式解决这些不足：
- •研究传热特性和压力损失，
- 深入分析在受限空间中运行的流体振荡器，
- 应用优化方法来提高其整体性能。
本研究首先分析了流体流动特性（?p）、传热特性（Nu）和流场，同时改变关键参数（如归一化的喉部到表面距离H/D、喷嘴角度θ、雷诺数Re和喉部直径D）。然后，通过基于神经网络的优化方法从压力损失和传热的角度确定最佳配置。最后进行了敏感性分析，以评估各参数对目标范围内努塞尔特数和压力损失的影响。
建模域
模型域
流体振荡器的几何配置如图1所示，采用Park等人[36]报告的尺寸参数，喉部直径D为3.5毫米。关键参数（包括喉部到表面的距离H、喷嘴角度θ和D）以D为单位进行测量，并在研究过程中变化这些参数以评估其对系统性能的影响。
流场和传热
图5展示了流体振荡器在一个完整振荡周期内的瞬时流线分布。结果清楚地显示了振荡器内部和外部喷嘴处的科安达效应，这导致了射流的特性性扫掠运动。在周期开始时（t = 0），由于流动不稳定性，入口射流开始向侧壁偏移。随着流动的继续（t ≈ 6 ms），科安达效应变得主导。
结论
本研究详细研究了流体振荡器在冲击射流应用中的压力损失、传热和流场行为，特别是在不同几何和物理参数下的表现。为了进行对比分析，将流体振荡器的结果与最常用的冲击射流形式——稳定射流的结果进行了基准测试。此外，还采用了基于神经网络的方法来优化流体振荡器
未引用参考文献
30; 32; 33; 34; 35; 38
CRediT作者贡献声明
M. Abdollahzadehsangroudi：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、监督、软件开发、方法论、研究、形式分析、概念构思。Dolati Farid：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、监督、软件开发、方法论、研究、形式分析、概念构思。N. Amanifard：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、软件开发、方法论、研究、概念构思。M. Khodkameh：撰写 – 审稿与
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
