冲击射流在基础研究和工业应用中扮演着相当重要的角色,是一个被广泛研究的流动形态。高效的传热和传质特性使得其在工业上的表面冷却、加热和烘干中的应用不断增加。本文采用大涡模拟的计算方法,在OpenFOAM软件平台上,对喷口-壁面距离为5倍喷口直径,无挡板的空气垂直冲击射流的流动和换热问题进行研究。首先,对三个中等射流Reynolds数4400、1.0×10~4和2.3×10~4的圆形冲击射流进行了数值模拟计算。通过将计算结果与已经公开发表的数据进行对比,验证了数值计算方法的准确性。对三个算例的瞬态和时均结果的对比分析表明,对于三个射流Reynolds数的情况,涡旋结构都没有形成完整的圆环。冲击射流的大尺度湍流流动结构,并没有随着射流Reynolds数的变化而发生本质上的改变。射流Reynolds数的变化对归一化平均速度大小几乎没有影响,而对归一化平均湍动能有轻微的影响。在两个径向位置处,射流Reynolds数的变化对归一化平均速度沿垂直方向分布的影响可以忽略。射流Reynolds数对归一化平均速度轴向分量的影响,主要表现在射流中轴线的位置附近。然后,研究了喷口形状对流动和传热特性的影响。对椭圆冲击射流换热问题进行了模拟计算,椭圆形喷口截面长宽比为1.5,射流Reynolds数为4400。将瞬态和稳态的计算结果与上述圆形冲击射流的相应数据进行对比分析,结果表明：对于圆形和椭圆形两种喷口形状的冲击射流,流动中的大尺度涡旋结构大同小异,都没有形成闭合的圆环；在自由射流剪切层附近的区域,椭圆冲击射流的湍动能水平略低于圆形射流；局部Nusselt数在椭圆长轴上的分布出现了第二峰值,而在短轴上或在圆形射流中则没有出现第二峰值；与圆形冲击射流相比,椭圆冲击射流的换热水平在空间分布上更均匀；在滞止点附近的区域内,圆形冲击射流的强化换热效果优于椭圆射流；当所关注的换热面积足够大时,两种冲击射流的换热效果几乎相同。最后,模拟了入口速度场施加主动扰动的冲击射流。速度场扰动的振幅分别是入口整体速度Wb的30%和70%,射流Reynolds数为10000。通过将瞬态和时均结果与相应的无扰动射流对比,得出以下几个方面的结论：入口速度场扰动对大尺度流动结构有本质上的影响,在入口边界施加扰动的射流中出现了比较完整、光滑的圆环形涡旋结构；速度场扰动带来的周期性的速度变化对应着周期性的环形涡旋结构；对速度场的扰动幅度越大,大尺度的涡旋结构越规则、光滑,并且随着流动的行进,涡旋更加不易破碎,带来的卷吸作用更强烈；冲击射流的入口速度场扰动,会导致流场中湍动能瞬态值的明显提高,这种作用随着扰动振幅的增加而加强；另一方面,入口速度场扰动通过改变湍流中的大尺度涡旋结构,使湍动能的分布也出现了明显的变化；入口速度场扰动对速度的脉动和湍流应力的影响,比其对平均速度的影响更大；对于滞止点附近的小块换热面积,施加速度场扰动振幅30%Wb的冲击换热效果优于无扰动时的效果,然而,施加振幅70%Wb扰动时的冲击换热效果却不及无扰动时的效果；如果把所关注的换热面积放大,则两种程度的扰动对换热效果的加强都是有利的,且70%毗时的换热效果更好；而当所关注的换热面积足够大时,速度场扰动对换热效果的影响则可以忽略不计。