肋条湍流减阻机理的研究

发布时间：2021-08-23 21:39

　　本文采用热线实验和大涡模拟数值计算方法,对三角形肋条的局部摩擦阻力和表面流场进行了测量和模拟,并对肋条的减阻机理进行了分析。结果发现,在整体减阻情况下,肋条表面局部摩擦阻力在展向位置分布不均匀,在肋尖附近区域为局部增阻区,在肋底附近为局部减阻区。在此基础上,通过涡动力学分析建立了局部摩擦力和流场涡运动之间的理论关系式,定量得出法向涡量和展向涡量的扩散流率是决定壁面摩擦阻力的两个因素。进一步研究发现,法向涡量和展向涡量的扩散流率主要集中在肋尖及其两侧,使得该区域能量输运和耗散强烈,形成局部增阻区。而在肋底附近,法向涡量和展向涡量的扩散流率较小,涡运动微弱,形成局部减阻区。 

【文章来源】：工程热物理学报. 2020,41(02)北大核心EICSCD

【文章页数】：7 页

【部分图文】：

图１实验平台和实验板示意图（单位：ｍｍ）??Ｆｉｇ．?１?Ｓｋｅｔｃｈ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｔｅｓｔ?ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ?（ａ）?ａｎｄ?ｔｅｓｔ?ｐｌａｔｅ?（ｂ）??（Ｕｎｉｔ：?ｍｍ）??表１为相关的实验参数，其中知９为边界层厚??度，孖为形状因子，ｉ？ｅｒ?＝?Ｍｊ／ｖ为基于壁面摩擦速??度计算的雷诺数

张子良等：肋条湍流减阻机理的研究??３３７??２期??向），之（展向）方向的长度分另丨Ｊ为２丌＜５?ｘ?２占ｘ?０．３丌流??向和展向采用周期性边界条件，上下壁面采用无滑??移条件。上壁面为光滑表面，下壁面为肋条表面。计??算的入流条件和肋条形状与实验相同。雷诺数也相??近（光滑表面和肋条表面开ｅｒ分别为５２２和５０４）。??计算网格采用结构化网格，在壁面附近进行加??密处理，肋条近壁区网格分布如图２（ｂ）所示，ａ?ｙ、ｚ??方向的网格数分别为１０１ｘ１１７ｘ９６０，其中Ａａ；＋?＝??３２，?Ａｚ＋二０．５，?Ａｙ＋?＝?０．５３？１７．５，满足大涡模拟精??细化计算要求１１１１。??（ｂ）肋条近壁区网格??图２计算域和肋条近壁区网格分布??Ｆｉｇ．?２?（ａ）?Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ?ｄｏｍａｉｎ；?（ｂ）?Ｇｒｉｄ?ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ?ｎｅａｒ??ｔｈｅ?ｒｉｂｌｅｔ?ｓｕｒｆａｃｅ??３局部减阻率及流场分布??３．１局部减阻率分布??通过黏性子层的速度分布可以得到肋条表面和??光滑表面的壁面摩擦力ｔＶ和＆，肋条减阻率可由下??式得到：??ＤＲ＝＾ｘ?１００％?＝?Ｔｒ：?Ｔｓ．?ｘ?１００％?（１）??ｒｓ?ｔｓ??肋条表面不同展向位置的局部减阻率的计算值??如图３所示。??ｚ／ｓ??图３局部减阻率沿展向位置分布??Ｆｉｇ．?３?Ｌｏｃａｌ?ｄｒａｇ?ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ?ａｌｏｎｇ?ｓｐａｎｗｉｓｅ?ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ??由局部减阻率分布可以得到肋条整体减阻，结??果显示，实验中肋条整体减阻为６．２３％，计算中肋条??整体减阻为６．７５％，肋条无量纲尺寸为紂＝１５．８。??进一

３３８??工程热物理学报??４１卷??（ｂ）揣流度分布??图４平均速度剖面和湍流度分布??（一计算值，？?？？实验值）??Ｆｉｇ．?４?（ａ）?Ｍｅａｎ?ｖｅｌｏｃｉｔｙ?ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ；?（ｂ）?Ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ?ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ??ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ?（—?Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ，?？?？?？?Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ）??应用Ｓｔｏｋｅｓ?Ｔｈｅｏｒｅｍ将摩擦阻力ｔ和展向截面??５■内相关物理量建立联系：??Ｊ）?ｒ?？?ｄｌ?＝?ｆ?（ｎｓ?ｘ?Ｖ）?■?ｒｄ＊？?（２）??Ｊｏｓ?Ｊ?ｓ??摩擦阻力Ｔ与涡量关系为：??ｔ?＝?／ｉ?（ｕ；?ｘ?ｎｒ）?（３）??由式（２）、（３）可得：??（ｐ?ｒ?？?ｄｌ?＝?／?（ｎｓ?ｘ?Ｖ）?？?／ｘ?（ｕ；?ｘ?ｎｒ）?ｄＳ?（４）??ＪｄＳ?Ｊ?Ｓ??在Ｘ方向，可得出壁面摩擦阻力ｈ为：??．，ｄｕｊｚ??ｓｍａ?＋?／ｉ——??〇ｙ??ｃｏｓ?ａ??ｄ５??肋底ｚ／ｓ?＝?０；局部增阻区：肋尖ｚ／ｓ?＝?０．５）。从图中??可以看出，计算结果和实验吻合较好。同时肋底附??近平均速度和湍流强度很小，说明该区域附近湍流??运动较弱，流动趋于静止状态，而肋尖附近平均速??度和湍流强度较强，说明该区域附近湍流运动剧烈。??同时＾？于光滑表面，湍流强度的最大值大于肋底和??肋尖，与前人得出的结论相同［１２１。??４涡动力学分析??４．１理论推导??为了研究涡运动与壁面摩擦阻力的关系，进而??解释肋条在不同展向位置局部减阻率的分布规律，??下面采用涡动力学方法对肋条表面流场进行理论分??析。如图５所示，在肋条展向位置截取展向截面


本文编号：3358644