贴壁肋片流场结构及其对换热影响的数值模拟研究

发布时间：2020-06-13 05:52

【摘要】：肋片广泛应用于换热器、工业燃烧器及透平机械等工业装备,而肋片引起的分离-附着流动则是流体力学中一个基础问题。关于前、后台阶分离-附着流动的研究较为丰富,而贴壁肋片绕流更复杂,对其中复杂的物理过程了解还不全面。本文采用大涡模拟方法对贴壁肋片的流动和换热进行数值研究,重点关注流场结构及其演化、非稳定特性、换热机制等,希望对肋片分离-附着流动有一个较为深入的理解和认识。本文的主要工作如下:首先,对低雷诺数(Reh=U0h/v=1000)、层流分离时肋片流场不稳定性进行数值研究。利用频谱分析方法发现在剪切层中存在两个明显的频率,分别为Sth=0.36和0.18,其中前者对应剪切层的K-H不稳定性;通过压力脉动和Q准则等值面表征的流场结构,发现肋片下游涡结构的脱落与配对现象,即Sth=0.18认为与剪切层中涡结构配对过程相关。其次,对较高雷诺数下(Reh=3000)湍流分离的贴壁肋片流场内的流场结构及特征不稳定性进行系统研究。采用条件平均方法,发现在回流区内存在周期性涡结构脱落现象,并引起剪切层的摆动和回流区的伸缩。通过频谱分析,发现在湍流分离流场中除剪切层内K-H不稳定性(Sth≈0.4)外,在回流区内还存在两个低频频率,分别为Sth≈0.06和Sth≈0.09。通过POD方法发现存在空间模态配对交替出现的现象,这反映了大尺度结构的脱落过程;同时,在靠近壁面附近以流向结构为主,而在剪切层中以展向涡结构为主。这说明流场中存在两种涡结构机制,即Sth≈0.09对应展向涡结构引起的剪切层摆动频率,而Sth≈0.06则对应流向涡结构引起的回流区前后伸缩不稳定性。再者,通过引入周期性零质量射流对流场进行主动控制,研究了五种不同扰动频率对贴壁肋片流场结构演化及壁面换热的影响。研究发现,当扰动频率与剪切层中涡结构配对频率相当时(即Sth=0.2),能加速分离剪切层的附着。此时平均回流区大小相比无扰动情况减小了约22.5%;而当扰动频率为Sth=0.05和Sth=0.2时,对换热的增强效果最佳,最大壁面努塞尔数相比无扰动情况增加了约20%。通过对瞬时流场结构和频谱分析,发现当激励频率与剪切层不稳定性频率相当时(Sth=0.2和Sth=0.4),能诱导剪切层内涡结构的配对、融合,但是该激励频率对流场的影响局限在肋片附近的剪切层内;而当激励频率与回流区内不稳定性相当时(Sth=0.05),对流场的影响范围则较大,甚至在附着点下游仍能发现明显的峰值,说明该频率能激励出回流区下游大尺度涡结构。此外,通过对比斯坦顿数(St)和摩擦系数(Cf),发现在肋后回流区内存在流动与传热的不相似性,其主要成因与流场中大尺度展向涡结构顺时针旋转相关。该大尺度结构通过将中心冷流体带至壁面附近,而将壁面处的热流体夹带至中心区域从而增强了换热;与此同时,减小了壁面处的摩擦系数。最后,本文对高雷诺数下(Re=UbDh/v=20000)周期性带肋通道的流场和强化换热情况进行了研究,并分析了流场结构和湍流特性对换热机制的影响。通过对比实体肋片和不同开缝肋片的流场和温度场,发现常规实体肋和中间开缝肋在肋片背部角落处换热较差,存在局部高温区域;肋片底部开缝时,缝隙射流能增强夹缝处及肋片背部的换热效率,消除局部高温区域并有效地降低了壁面温度分布的不均匀性。从整体换热效率和强化换热综合指标来看,常规实体肋的效率最高,而中间开缝肋则最差。这是由于从开缝处流出的流体阻碍了剪切层的附着,使下游壁面附近的湍流度减小。
【图文】：

示意图,后台阶,边界层,示意图

者呈正相关关系。此外，分离点处边界层的状态（层流或湍流）对附着长度也有逡逑很重要的影响。但是边界层状态的影响是一个非线性过程而非独立存在的，往往逡逑与雷诺数、边界层厚度相关（Ｅａｔｏｎ邋ｅｔａｌ．，邋１９８１）。图１．２给出了分离点处边界层状逡逑

示意图,分离点,边界层,状态

Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ邋ｖｏｒｔｉｃｅｓ邋Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ邋ｂｕｂｂｌｅ邋Ｒｅａｔｔａｃｈｍｅｎｔ邋Ｖｏｒｔｅｘ邋ｓｈｅｄｄｉｎｇ逡逑ｚｃｒｎｅ逡逑图１．１后台阶分离－附着流动示意图（Ｄｒｉｖｅｒ邋ｅｔａｌ．，１９８７）逡逑在早期的研宄中，平均附着长度作为一个重要的参数受到广泛关注（Ｋｉｍ，逡逑１９７８；邋Ｅａｔｏｎ邋ｅｔ邋ａｌ．，丨邋９８１；邋Ａｄａｍｓ邋ｅｔａｌ．，１９８８ａ；邋Ｉｓｏｍｏｔｏｅｔａｌ．，１９８９；邋Ｏｔｕｇｅｎ，１９９１）。影逡逑响后台阶平均附着长度的因素有很多，参考Ｅａｔｏｎ邋ｅｔａｌ．邋（１９８１）的综述文章，可将逡逑其表示为来流条件和几何参数的函数：逡逑Ｌｒ邋＝邋ｆ（Ｒｅｈｌ邋ＡＲ，邋ＥＲ，邋Ｓ，邋ｄｐ／ｄｘ，邋ＴＩ）逦（１．１）逡逑其中，，为基于台阶高度和来流速度的雷诺数；Ｊ／？为风洞长宽比；幻？为台阶逡逑扩张比；５为来流边界层厚度；３ｐ／３ｘ为流Ｎ压力梯度；７７为来流湍流强度。雷逡逑诺数对附着长度的影响方面，Ａｒｎｉａｌｙ邋ｅｔａｌ．邋（１９８３）通过实验研宄了雷诺数为７０－逡逑８０００的后台阶流动，发现附着长度在／＾／＞小于１２００时（即层流段），随的增逡逑大而增大；在过渡段（１２００＜７＾
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK124

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