冲击射流换热的大涡模拟

发布时间：2017-07-19 15:07

  本文关键词：冲击射流换热的大涡模拟

  更多相关文章： 冲击射流 传热 湍流 大涡模拟 OpenFOAM 环形涡旋 Nusselt数

【摘要】：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。
【关键词】：冲击射流 传热 湍流 大涡模拟 OpenFOAM 环形涡旋 Nusselt数
【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】：2016
【分类号】：TK124
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-15
• 第一章 绪论15-39
• 1.1 研究背景和意义15-21
• 1.1.1 燃气轮机组件的冷却15
• 1.1.2 紧凑压缩型冷却器15-17
• 1.1.3 电子设备冷却17
• 1.1.4 大气微爆17-19
• 1.1.5 垂直起落飞机19
• 1.1.6 高温燃气除冰19
• 1.1.7 冲击射流传质的应用19-21
• 1.2 冲击射流换热问题的物理特性21-22
• 1.3 冲击射流换热的数值研究方法22-24
• 1.3.1 直接数值模拟22-23
• 1.3.2 大涡模拟23
• 1.3.3 RANS模型23-24
• 1.4 冲击射流换热的研究现状24-37
• 1.4.1 发表在国际期刊上的研究概况24-33
• 1.4.2 国内对冲击射流的研究情况33-37
• 1.5 本文的工作内容37-39
• 第二章 计算方法39-47
• 2.1 物理问题与控制方程组39-41
• 2.1.1 问题描述39
• 2.1.2 大涡模拟滤波操作39-40
• 2.1.3 控制方程组40-41
• 2.2 方程封闭模型41-45
• 2.2.1 动量方程封闭模型41-44
• 2.2.2 能量方程封闭模型44
• 2.2.3 大涡模拟的近壁处理44-45
• 2.3 数值方法45-47
• 第三章 不同Reynolds数的冲击射流换热47-63
• 3.1 问题描述与边界条件47-49
• 3.2 计算参数和精度49-51
• 3.3 结果和讨论51-60
• 3.4 小结60-63
• 第四章 椭圆形冲击射流换热63-77
• 4.1 问题描述与边界条件63-64
• 4.2 计算参数和精度64-66
• 4.3 结果和讨论66-74
• 4.3.1 流动特性66-70
• 4.3.2 传热特性70-74
• 4.4 小结74-77
• 第五章 施加扰动的冲击射流换热77-93
• 5.1 问题描述与边界条件77-78
• 5.2 计算参数和精度78-79
• 5.3 结果和讨论79-89
• 5.3.1 流场瞬态特性79-84
• 5.3.2 流场时均特性84-89
• 5.3.3 传热特性89
• 5.4 小结89-93
• 第六章 结论与展望93-97
• 6.1 本文的主要工作和结论93-95
• 6.2 后续研究工作的展望95-97
• 参考文献97-107
• 攻读博士学位期间的研究成果107-109
• 致谢109

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 陈庆光,吴玉林,刘树红,张永建;倾角对湍流狭缝冲击射流流动与传热性能的影响[J];清华大学学报(自然科学版);2005年08期

2 陈庆光;吴玉林;刘树红;张永超;张永建;;三维方管层流冲击射流流动与传热的数值研究[J];机械工程学报;2006年01期

3 白文华;包能胜;许鹏;葛汝峰;;印刷涂布烘箱V型条缝喷嘴冲击射流流场的数值模拟[J];包装工程;2011年03期

4 邱淑霞;江影;徐鹏;;脉动冲击射流的传热特性研究[J];中国计量学院学报;2011年01期

5 杨会群;金东范;卢天健;;环形旋转冲击射流热流特性的实验研究[J];中国科学:技术科学;2011年05期

6 周定伟,马重芳,苑中显;圆形浸没冲击射流速度与压力梯度的数值计算[J];北京工业大学学报;2000年01期

7 何枫,姚朝晖,谢峻石;三维亚声速冲击射流流场的数值模拟[J];推进技术;2002年01期

8 陈庆光,吴玉林,张永建,王涛;矩形管湍流冲击射流流动与传热的数值研究[J];热能动力工程;2005年05期

9 耿铁;李德群;周华民;邵玉杰;汪伟军;;冲击射流换热数值模拟技术研究概述[J];航空制造技术;2006年02期

10 李功样;片冈邦夫;;冲击射流热传递的强化和控制[J];广东工学院学报;1991年04期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 姚朝晖;何枫;韩标;许宏庆;;高速冲击射流流场特性与噪声机理的研究[A];流动显示’2002第五届全国流动显示学术会议论文集[C];2002年

2 邢云绯;仲峰泉;张新宇;;冲击射流冷却结构中煤油传热特性的数值研究[A];第七届全国流体力学学术会议论文摘要集[C];2012年

3 邢云绯;仲峰泉;张新宇;;瞬态热敏液晶测温技术在冲击射流实验中的应用[A];第十三届全国实验力学学术会议论文摘要集[C];2012年

4 姚朝晖;崔新光;;超声速弱欠膨胀冲击射流中的涡合并现象的研究[A];北京力学会第14届学术年会论文集[C];2008年

5 邢云绯;仲峰泉;张新宇;;冲击射流冷却结构中煤油传热特性的数值研究[A];高超声速专题研讨会暨第五届全国高超声速科学技术会议论文集[C];2012年

6 关晖;吴锤结;涂善东;;Y形冲击射流微混合器流场结构与混合特性的数值模拟[A];庆祝中国力学学会成立50周年暨中国力学学会学术大会’2007论文摘要集（下）[C];2007年

7 邝九杰;隋丹;金东范;卢天健;徐明龙;;轴流风扇冲击射流下的泡沫铝热沉在电子冷却中的应用[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年

8 于尚旺;姚朝晖;何枫;;基于旋涡强度的冲击射流涡结构分析[A];中国力学学会学术大会'2005论文摘要集（下）[C];2005年

9 徐惊雷;刘凯礼;张X元;;过膨胀超声速冲击射流中非定常现象的PIV实验与数值模拟研究[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年

10 于明州;陈丽华;谭晓军;;冲击射流拟序结构的大涡模拟研究[A];中国力学学会学术大会'2005论文摘要集（下）[C];2005年

中国博士学位论文全文数据库 前6条

1 白贵平;胶片涂布线热风冲击干燥特性及节能优化研究[D];湖南大学;2016年

2 李永平;冲击射流换热的大涡模拟[D];中国科学技术大学;2016年

3 李长庚;基于冲击射流的电子器件冷却方法研究[D];中南大学;2009年

4 张燕;横流冲击射流涡旋结构的实验和数值研究[D];上海大学;2005年

5 焦磊;连续—脉冲射流理论研究及其在原油底泥处理中的应用[D];浙江大学;2005年

6 石艺娜;金属冲击射流形成、断裂和颗粒化分布研究[D];中国工程物理研究院;2008年

中国硕士学位论文全文数据库 前9条

1 张海龙;亚音速冲击射流共振的反馈理论与实验研究[D];东北大学;2013年

2 唐伟峰;稳态冲击射流作用下建筑结构的风压特性研究[D];重庆大学;2015年

3 左其刚;考虑地形影响的稳态冲击射流作用下高层建筑风压特性分析[D];重庆大学;2015年

4 刘祖铃;狭缝喷嘴组冲击射流传热性能研究[D];重庆大学;2012年

5 刘海;超声速欠膨胀冲击射流的大涡模拟[D];清华大学;2010年

6 黄灵敏;基于红外热像技术的周期性冲击射流强化换热研究[D];中国计量学院;2013年

7 于峰;纳米流体冲击射流的流动与换热特性研究[D];南京理工大学;2010年

8 周祺e，

本文编号：563462