研究背景:
海洋动力平台作为海洋工程和动力工程的有机结合和创新应用，可以为建设海上力量提供可靠的能源保障和补给，是实现建设海洋强国战略的重要需求和基础。动力装置作为海洋动力平台的“心脏”，其管路系统中存在着大量的T型通道，供不同性质流体进行联接、混合、反应等。当T型通道内流经不同温度的流体时，其内部发生强烈的热混合。同时，受海洋摇摆运动的影响，T型通道空间位置不断变化，进而使通道内流体受到周期性变化的附加惯性力作用。摇摆运动引起的附加惯性力与流体热混合的叠加作用造成管内流体流量、阻力、流场和温度场等发生剧烈波动，使通道壁面承受强烈的热应力、压应力与冲击应力，存在着疲劳损伤风险，进而威胁海洋动力平台的安全运行。目前关于T型通道内流体热混合特性的研究多是基于稳定的陆基条件下。而在摇摆条件下，T型通道内热混合特性尚不清晰。基于此，本文搭建了可视化试验台，利用双色激光诱导荧光技术（TC-PLIF）对摇摆条件下T型通道内流体热混合特性进行了实验探究。
图1 TC-PLIF图像后处理流程图
研究内容：
本文通过TC-PLIF技术实验探究了T型通道内温度场瞬时、时均和脉动特性，研究了摇摆运动对温度场的影响机理，并分析了不同摇摆雷诺数Rer、流体雷诺数Rem和流量比R对温度场的影响规律。结果表明，相比静止条件下，摇摆运动引起的支管射流扫掠现象使得剪切层内周期性出现温度卷起结构，扩大了冷热流体的混合范围，减小了温度梯度和通道内热分层现象，同时也增大了剪切层内温度脉动值。摇摆雷诺数对平均温度分布的影响机制为：随着摇摆雷诺数的增大，T型通道内支管射流扫掠作用增强，使温度剪切层发生分叉，扩大冷热流体的混合区域，从而使整体的热分层现象有所减小。静止和摇摆条件下温度分布的差异性随流体雷诺数的增大而减小。这是因为，流体雷诺数增大，惯性力增强，浮升力和附加惯性力对温度分布的影响作用减弱。总体而言，减小摇摆雷诺数和流量比或增大雷诺数，摇摆运动对T型通道内温度场的影响减弱。
图2 瞬时温度分布(Rer = 1760, Rem = 2110, R = 3): (a) t/τ= 0; (b) t/τ = 0.25; (c) t/τ = 0.5; (d) t/τ = 0.75; (e) t/τ = 1.
同时，流量比影响支管射流在T型通道内的冲击轨迹，进而影响温度场分布。本文定义不同流向位置处平均温度最低的点到T型通道上壁面的距离为冲击深度，沿流向平均温度最低点的连线即为支管射流的冲击轨迹。对比不同流量比下支管射流冲击轨迹的变化发现，冲击轨迹与T型通道的流向位置x/D和流量比R有关，并随两个影响参数呈非线性变化。分别对静止和摇摆条件下冲击轨迹的实验数据点进行非线性拟合，得到静止条件下T型通道内支管射流冲击轨迹方程为：
（1）
摇摆条件下冲击轨迹方程为：
（2）
通过式（1）和式（2）计算得到的静止和摇摆条件下不同流向位置处的冲击深度与实验值的对比发现，静止和摇摆条件下的计算值和实验值的整体误差都在±15%以内，表明建立的方程能够较为精确地预测静止和摇摆条件下支管射流在T型通道内的冲击轨迹。本文所建立冲击轨迹方程适用范围为：摇摆雷诺数Rer=0-3520，流体雷诺数Rem=2110-15850，Reb=320-23770，流量比R=1-20，有望通过进一步扩大实验参数范围拓宽方程适用性。
通过式（1）和式（2）计算得到的静止和摇摆条件下不同流向位置处的冲击深度与实验值的对比发现，静止和摇摆条件下的计算值和实验值的整体误差都在±15%以内，表明建立的方程能够较为精确地预测静止和摇摆条件下支管射流在T型通道内的冲击轨迹。本文所建立冲击轨迹方程适用范围为：摇摆雷诺数Rer=0-3520，流体雷诺数Rem=2110-15850，Reb=320-23770，流量比R=1-20，有望通过进一步扩大实验参数范围拓宽方程适用性。
图3 静止和摇摆条件下射流冲击轨迹 图4 射流冲击深度计算值与实验值对比
论文题目：Experimental investigation on thermal mixing characteristics in a T-junction under rolling motion condition using TC-PLIF
论文作者：Bo Su (苏博); Biaoxin Wang (汪标鑫); Ziliang Zhu (朱子良); Mei Lin (林梅); Qiuwang Wang (王秋旺)*
发表期刊：International Journal of Heat and Mass Transfer 252, 127440 (2025)
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2025.127440
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