射流冲击传热具有较高的传热传质效率,被广泛应用于强化传热等场合。目前,国内外的研究集中在平面靶板和形状较为规则的半圆凹腔靶板或半球凹腔靶板上,针对变曲率受限凹腔(如飞机发动机进口部件防冰系统中的整流支板楔形凹腔和整流帽罩锥形凹腔)表面射流冲击强化传热的研究尚处于探索阶段,对变曲率受限凹腔内流动特征与传热特征,以及不同射流冲击结构与受限凹腔相互作用下的流动特征和传热特征认识相对缺乏。本文围绕受限凹腔射流冲击强化传热,进行了以下研究:针对受限楔形凹腔结构特点,提出了射流孔交错偏置排布和带有前伸槽的冲击板射流冲击结构,并对其影响楔形凹腔流动和传热效果的机制进行了研究。研究结果表明,射流孔交错偏置排布一方面在凹腔内部诱导出复杂的涡流,随着射流孔偏置间距增大,涡流尺寸随之增加,涡核逐渐向凹腔前缘附近迁移,且凹腔内部高速区域和高湍流动能区域进一步扩大,增大了射流沿弦向的作用面积;另一方面,射流孔偏置排布使得峰值速度对应的壁面法向距离减小。带有前伸槽的冲击板不仅可以减小射流冲击间距,还加剧了腔内流动的受限。对射流孔交错偏置排布和带有前伸槽的冲击板结构的流动传热特性进行了数值模拟和实验研究,总结归纳出射流孔交错偏置排布结构参数和带有前伸槽的冲击板结构参数在不同射流雷诺数和冲击间距下对射流冲击对流传热系数、加热效率和压力损失的影响规律。研究表明,射流孔交错偏置排布,对应于射流冲击驻点区的局部对流传热系数得到增强,随着射流孔偏置间距比增加,平均对流传热系数最大的对应的现象位置逐渐向凹腔前缘下游迁移,且射流总压损失与偏置间距的关系不大。在本文所研究结构下,射流交错偏距比在1.5倍射流孔直径左右可以在保持凹腔前缘对流传热能力不受到显著削弱的前提下,改善凹腔前缘附近的射流冲击对流传热能力。带有前伸槽的冲击板能够使得凹腔前缘的射流冲击对流传热有较大幅度的改善,在较低射流雷诺数下起作用效果更为显著;随着冲击板前伸槽长度或宽度的增大,楔形凹腔前缘的对流传热系数呈增大趋势。前伸槽冲击板的收缩结构会使得射流总压损失有较大幅度的增加,增大前伸槽宽度有利于减小射流因通道收缩而引起的压力损失。开展了冠齿激励射流和卫星排布射流影响受限锥形凹腔流动和传热效果的机理研究,揭示了冠齿激励射流和卫星排布射流作用下的流动特征和对流传热特性。结果表明,冠齿激励射流能够有效的提高凹腔前缘的对流传热能力,一方面是因为冠齿根部周围所产生的流向涡使得射流与周围流体的掺混得到加强,并提高了冲击射流局部扰动的作用,使得射流的湍流度和射流作用范围都得到提高;另一方面冠齿对射流孔口下游区域的局部堵塞,提高了射流核心区的流向速度,有利于射流冲击驻点区域的局部传热强化。卫星排布射流能够提高凹腔前缘的对流传热能力,其原因如下:其一,卫星孔的存在使得中心射流孔孔径减小,导致卫星排布射流的核心区流向速度要高于基准射流,增强了中心射流孔的冲击传热能力;其二,当冲击孔板带有卫星孔时,在冲击腔前缘、卫星孔对应区域诱导出复杂涡系,强化了卫星孔射流与周围流体的掺混,提高了射流的湍流度和射流作用范围。通过数值计算和实验研究相结合的方法,归纳和总结了冠齿结构参数、卫星排布结构参数在不同冲击间距和雷诺数下对锥形凹腔对流传热系数、加热效率和射流总压损失的影响规律。研究结果表明,在相同的冠齿长度下,随着冠齿穿透长度的增大,凹腔表面局部对流传热逐渐上升;在相同冠齿穿透长度下,凹腔表面局部对流传热随着冠齿长度的增大而下降;随着冠齿穿透长度的增大或冠齿长度的减小,射流总压损失不断增大。在相同的中心孔孔径下,随着卫星孔间距的增大,凹腔表面对流传热系数第二峰值出现位置逐渐后移,且凹腔表面加热效率随着卫星孔间距的增大而不断增大。在相同卫星孔间距下,随着中心射流孔孔径的减小(即卫星孔直径的增大),凹腔表面前缘驻点处对流传热系数有明显提高,凹腔表面第二峰值也随之增大,使得凹腔表面加热效率随着中心射流孔孔径的减小而不断增大。卫星排布射流的射流总压损失高于常规圆形射流孔,不同卫星孔间距下压力损失基本相同;随着中心射流孔孔径的减小,射流总压损失略有增大。开展了楔形凹腔和锥形凹腔组合结构加热效率的数值研究和试验验证,分析了不同结构参数和进口流量对组合结构加热效率的影响规律。研究结果表明,在楔形凹腔下,带有前伸槽的冲击孔板射流冲击强化传热效果更加明显;针对锥形凹腔结构,在较小进口流量下,冠齿激励射流和卫星排布射流都对帽罩凹腔表面传热有提高作用;在较大进口流量下,卫星排布射流孔的射流冲击强化传热效果更加明显。针对液态水滴在楔形凹腔和锥形凹腔外部通道中的流动特性和传热特性进行了研究,发现楔形凹腔外部通道中,在靶板型线曲率变小较为明显的位置,液态水滴与楔形凹腔表面有一明显的分离点;锥形凹腔外部通道中,液态水滴与锥形凹腔表面之间则没有发生分离现象。随着液态水含量的增大,凹腔前缘区域受到的液态水滴撞击的影响越来越强烈,使得凹腔前缘区域表面温度呈现大幅降低的趋势,而凹腔尾部区域的表面温度虽然也呈现下降的趋势,但降低幅度明显小于凹腔前缘区域。