貼壁肋片流場結(jié)構(gòu)及其對換熱影響的數(shù)值模擬研究.pdf

1、肋片廣泛應(yīng)用于換熱器、工業(yè)燃燒器及透平機(jī)械等工業(yè)裝備，而肋片引起的分離-附著流動(dòng)則是流體力學(xué)中一個(gè)基礎(chǔ)問題。關(guān)于前、后臺(tái)階分離-附著流動(dòng)的研究較為豐富，而貼壁肋片繞流更復(fù)雜，對其中復(fù)雜的物理過程了解還不全面。本文采用大渦模擬方法對貼壁肋片的流動(dòng)和換熱進(jìn)行數(shù)值研究，重點(diǎn)關(guān)注流場結(jié)構(gòu)及其演化、非穩(wěn)定特性、換熱機(jī)制等，希望對肋片分離-附著流動(dòng)有一個(gè)較為深入的理解和認(rèn)識(shí)。
　　本文的主要工作如下:
　　首先，對低雷諾數(shù)（Reh=U0

2、h/v=1000）、層流分離時(shí)肋片流場不穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值研究。利用頻譜分析方法發(fā)現(xiàn)在剪切層中存在兩個(gè)明顯的頻率，分別為Sth=0.36和0.18，其中前者對應(yīng)剪切層的K-H不穩(wěn)定性;通過壓力脈動(dòng)和Q準(zhǔn)則等值面表征的流場結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)肋片下游渦結(jié)構(gòu)的脫落與配對現(xiàn)象，即Sth=0.18認(rèn)為與剪切層中渦結(jié)構(gòu)配對過程相關(guān)。
　　其次，對較高雷諾數(shù)下(Reh=3000)湍流分離的貼壁肋片流場內(nèi)的流場結(jié)構(gòu)及特征不穩(wěn)定性進(jìn)行系統(tǒng)研究。采用條件平均方法

3、，發(fā)現(xiàn)在回流區(qū)內(nèi)存在周期性渦結(jié)構(gòu)脫落現(xiàn)象，并引起剪切層的擺動(dòng)和回流區(qū)的伸縮。通過頻譜分析，發(fā)現(xiàn)在湍流分離流場中除剪切層內(nèi)K-H不穩(wěn)定性(Sth≈0.4)外，在回流區(qū)內(nèi)還存在兩個(gè)低頻頻率，分別為Sth≈0.06和Sth≈0.09。通過POD方法發(fā)現(xiàn)存在空間模態(tài)配對交替出現(xiàn)的現(xiàn)象，這反映了大尺度結(jié)構(gòu)的脫落過程;同時(shí)，在靠近壁面附近以流向結(jié)構(gòu)為主，而在剪切層中以展向渦結(jié)構(gòu)為主。這說明流場中存在兩種渦結(jié)構(gòu)機(jī)制，即Sth≈0.09對應(yīng)展向渦結(jié)構(gòu)引

4、起的剪切層擺動(dòng)頻率，而Sth≈0.06則對應(yīng)流向渦結(jié)構(gòu)引起的回流區(qū)前后伸縮不穩(wěn)定性。
　　再者，通過引入周期性零質(zhì)量射流對流場進(jìn)行主動(dòng)控制，研究了五種不同擾動(dòng)頻率對貼壁肋片流場結(jié)構(gòu)演化及壁面換熱的影響。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)擾動(dòng)頻率與剪切層中渦結(jié)構(gòu)配對頻率相當(dāng)時(shí)（即Sth=0.2），能加速分離剪切層的附著。此時(shí)平均回流區(qū)大小相比無擾動(dòng)情況減小了約22.5％;而當(dāng)擾動(dòng)頻率為Sth=0.05和Sth=0.2時(shí)，對換熱的增強(qiáng)效果最佳，最大壁面努塞

5、爾數(shù)相比無擾動(dòng)情況增加了約20％。通過對瞬時(shí)流場結(jié)構(gòu)和頻譜分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)激勵(lì)頻率與剪切層不穩(wěn)定性頻率相當(dāng)時(shí)(Sth=0.2和Sth=0.4)，能誘導(dǎo)剪切層內(nèi)渦結(jié)構(gòu)的配對、融合，但是該激勵(lì)頻率對流場的影響局限在肋片附近的剪切層內(nèi);而當(dāng)激勵(lì)頻率與回流區(qū)內(nèi)不穩(wěn)定性相當(dāng)時(shí)（Sth=0.05），對流場的影響范圍則較大，甚至在附著點(diǎn)下游仍能發(fā)現(xiàn)明顯的峰值，說明該頻率能激勵(lì)出回流區(qū)下游大尺度渦結(jié)構(gòu)。此外，通過對比斯坦頓數(shù)(St)和摩擦系數(shù)（Cf)，發(fā)現(xiàn)

6、在肋后回流區(qū)內(nèi)存在流動(dòng)與傳熱的不相似性，其主要成因與流場中大尺度展向渦結(jié)構(gòu)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)相關(guān)。該大尺度結(jié)構(gòu)通過將中心冷流體帶至壁面附近，而將壁面處的熱流體夾帶至中心區(qū)域從而增強(qiáng)了換熱;與此同時(shí)，減小了壁面處的摩擦系數(shù)。
　　最后，本文對高雷諾數(shù)下(Re=UbDh/v=20000)周期性帶肋通道的流場和強(qiáng)化換熱情況進(jìn)行了研究，并分析了流場結(jié)構(gòu)和湍流特性對換熱機(jī)制的影響。通過對比實(shí)體肋片和不同開縫肋片的流場和溫度場，發(fā)現(xiàn)常規(guī)實(shí)體肋和中間開