基于一方程转捩模型的狭缝冲击射流传热数值模拟

发布时间：2022-01-01 08:15

　　[目的]由于冲击射流现象涉及层流—湍流转捩、极强的逆压梯度和分离流问题,导致传统湍流模型无法对其准确预测。为了研究湍流模型在多种条件下的鲁棒性,[方法]采用基于转捩机理的一方程转捩模型,预测以局部努塞尔数（Nu）来衡量的狭缝冲击射流的传热特征。在冲击距离范围为4≤H/B≤9.2时,对稳态和脉动冲击射流传热问题进行研究。[结果]结果表明,在H/B=4时,一方程转捩模型准确地捕捉了受转捩影响的局部努塞尔数第2峰值的大小和位置;在H/B=9.2时,该模型避免了大多数传统雷诺时均模型（RANS）中出现的假第2峰值,获得了更符合实验结果的传热分布规律。[结论]在较大的H/B范围内,一方程转捩模型能够准确预测狭缝冲击射流的传热分布,表现出良好的鲁棒性。 

【文章来源】：中国舰船研究. 2019,14(02)北大核心CSCD

【文章页数】：6 页

【部分图文】：

冲击射流的计算模型Fig.1Thecomputationalmodelforjetimpingementflow冲击板Lxy本次计算基于Fluent软件

?嫦喙兀?拭挥姓承缘撞阈拚??SSTk-ω模型和RANSk-ω模型难以准确预测转捩区间的位置。RANS/LES模型［15］继承了大涡模拟（LES）模型在滞止点附近湍流强度几乎为零的特点，因此正确地捕捉到了局部努塞尔数的第1峰值，但却提前预测了第2峰值的位置。除一方程转捩模型外，其他数值模型同样存在第2峰值预测不准确的现象。整体上，一方程转捩模型获得了与实验结果基本一致的分布趋势，这说明该模型不仅（a）H/B=4（b）H/B=9.2（c）H/B=5图23种算例下y+沿冲击板的分布Fig.2y+distributionsalongtheimpingingplatefor3cases01020304050x/B1.61.41.21.00.80.60.40.2y+01020304050x/B1.41.21.00.80.60.40.2y+01020304050x/B1.00.80.60.40.20y+算例ReL/BH/BNxNy稳态射流200005043079820000509.2296156瞬态射流1100050539858表1计算模型的尺度和网格节点分布Table1Scaleandnodesdistributionofcomputationalmodel图3H/B=4时局部努塞尔数分布Fig.3ThedistributionoflocalNusseltnumber（H/B=4）048121620x/B10090807060504030Nu实验结果［12］SSTk-ωRANSk-ω［14］RANS/LES［14］一方程转捩模型黄华坤等：基于一方程转捩模型的狭缝冲击射流传热数值模拟147

?硐殖雒飨缘牡?2峰值特征；而在H/B=9.2时，局部努塞尔数的第2峰值消失。这2个算例可以验证一方程转捩模型对转捩的预测能力。Ashforth-Frost等［13］的实验是在1个标准大气压下进行的。射流出口温度为恒温300K，射流出口平均速度雷诺数基于射流出口宽度，其大小为20000。冲击板设为恒温310K，无滑移固定壁面。上限板设为恒温300K，无滑移固定壁面。出口采用出流（outflow）边界条件，出口压力为1个大气压P=101325Pa。计算的普朗特数Pr=0.72。图3给出了H/B=4时，得到的局部努塞尔数与实验数据以及其他学者的数值结果沿冲击面的分布情况。从图中可以看出，一方程转捩模型可准确预测局部努塞尔数第1峰值和第2峰值的大小及位置。受转捩过程影响，在3≤x/B≤7范围内，传热率逐渐升高；当转捩完成后，传热率逐渐降低。在滞止点附近，流动处于低湍流强度状态，即准层流状态，这使得滞止点附近相对于壁面射流区的传热率得到了极的大提高。受益于Kato-Launder模型修正作用，可用一方程转捩模型准确预测局部努塞尔数的第1峰值。如前所述，在滞止点处，流动几乎处于无旋状态，因此Kato-Launder模型中涡量的引入使滞止点处的湍动能下降；且在第2峰值附近可明显看到涡的存在（图4）。虽然Kato-Launder模型无法对涡进行计算，但是涡的脱落导致涡量增加，故一方程转捩模型在2次峰值附近预测的传热率与SSTk-ω模型相比有所增加，从而提高了涡附近湍动能的预测精度［14］。而无修正模型的RANSk-ω模型［15］和SSTk-ω模型在滞止点处过高地预测了局部努塞尔数。其中RAN


本文编号：3561978