沖擊射流換熱的大渦模擬.pdf

1、沖擊射流在基礎(chǔ)研究和工業(yè)應(yīng)用中扮演著相當(dāng)重要的角色，是一個(gè)被廣泛研究的流動(dòng)形態(tài)。高效的傳熱和傳質(zhì)特性使得其在工業(yè)上的表面冷卻、加熱和烘干中的應(yīng)用不斷增加。本文采用大渦模擬的計(jì)算方法，在OpenFOAM軟件平臺(tái)上，對(duì)噴口-壁面距離為5倍噴口直徑，無(wú)擋板的空氣垂直沖擊射流的流動(dòng)和換熱問(wèn)題進(jìn)行研究。
　　首先，對(duì)三個(gè)中等射流Reynolds數(shù)4400、1.0×104和2.3×104的圓形沖擊射流進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。通過(guò)將計(jì)算結(jié)果與已經(jīng)公

2、開(kāi)發(fā)表的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。對(duì)三個(gè)算例的瞬態(tài)和時(shí)均結(jié)果的對(duì)比分析表明，對(duì)于三個(gè)射流Reynolds數(shù)的情況，渦旋結(jié)構(gòu)都沒(méi)有形成完整的圓環(huán)。沖擊射流的大尺度湍流流動(dòng)結(jié)構(gòu)，并沒(méi)有隨著射流Reynolds數(shù)的變化而發(fā)生本質(zhì)上的改變。射流Reynolds數(shù)的變化對(duì)歸一化平均速度大小幾乎沒(méi)有影響，而對(duì)歸一化平均湍動(dòng)能有輕微的影響。在兩個(gè)徑向位置處，射流Reynolds數(shù)的變化對(duì)歸一化平均速度沿垂直方向分布的影響可以忽略。射流

3、Reynolds數(shù)對(duì)歸一化平均速度軸向分量的影響，主要表現(xiàn)在射流中軸線的位置附近。
　　然后，研究了噴口形狀對(duì)流動(dòng)和傳熱特性的影響。對(duì)橢圓沖擊射流換熱問(wèn)題進(jìn)行了模擬計(jì)算，橢圓形噴口截面長(zhǎng)寬比為1.5，射流Reynolds數(shù)為4400。將瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)的計(jì)算結(jié)果與上述圓形沖擊射流的相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明:對(duì)于圓形和橢圓形兩種噴口形狀的沖擊射流，流動(dòng)中的大尺度渦旋結(jié)構(gòu)大同小異，都沒(méi)有形成閉合的圓環(huán);在自由射流剪切層附近的區(qū)域，橢圓

4、沖擊射流的湍動(dòng)能水平略低于圓形射流;局部Nusselt數(shù)在橢圓長(zhǎng)軸上的分布出現(xiàn)了第二峰值，而在短軸上或在圓形射流中則沒(méi)有出現(xiàn)第二峰值;與圓形沖擊射流相比，橢圓沖擊射流的換熱水平在空間分布上更均勻;在滯止點(diǎn)附近的區(qū)域內(nèi)，圓形沖擊射流的強(qiáng)化換熱效果優(yōu)于橢圓射流;當(dāng)所關(guān)注的換熱面積足夠大時(shí)，兩種沖擊射流的換熱效果幾乎相同。
　　最后，模擬了入口速度場(chǎng)施加主動(dòng)擾動(dòng)的沖擊射流。速度場(chǎng)擾動(dòng)的振幅分別是入口整體速度Wb的30％和70％，射流Re

5、ynolds數(shù)為10000。通過(guò)將瞬態(tài)和時(shí)均結(jié)果與相應(yīng)的無(wú)擾動(dòng)射流對(duì)比，得出以下幾個(gè)方面的結(jié)論:入口速度場(chǎng)擾動(dòng)對(duì)大尺度流動(dòng)結(jié)構(gòu)有本質(zhì)上的影響，在入口邊界施加擾動(dòng)的射流中出現(xiàn)了比較完整、光滑的圓環(huán)形渦旋結(jié)構(gòu);速度場(chǎng)擾動(dòng)帶來(lái)的周期性的速度變化對(duì)應(yīng)著周期性的環(huán)形渦旋結(jié)構(gòu);對(duì)速度場(chǎng)的擾動(dòng)幅度越大，大尺度的渦旋結(jié)構(gòu)越規(guī)則、光滑，并且隨著流動(dòng)的行進(jìn)，渦旋更加不易破碎，帶來(lái)的卷吸作用更強(qiáng)烈;沖擊射流的入口速度場(chǎng)擾動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致流場(chǎng)中湍動(dòng)能瞬態(tài)值的明顯提高

6、，這種作用隨著擾動(dòng)振幅的增加而加強(qiáng);另一方面，入口速度場(chǎng)擾動(dòng)通過(guò)改變湍流中的大尺度渦旋結(jié)構(gòu)，使湍動(dòng)能的分布也出現(xiàn)了明顯的變化;入口速度場(chǎng)擾動(dòng)對(duì)速度的脈動(dòng)和湍流應(yīng)力的影響，比其對(duì)平均速度的影響更大;對(duì)于滯止點(diǎn)附近的小塊換熱面積，施加速度場(chǎng)擾動(dòng)振幅30％Wb的沖擊換熱效果優(yōu)于無(wú)擾動(dòng)時(shí)的效果，然而，施加振幅70％Wb擾動(dòng)時(shí)的沖擊換熱效果卻不及無(wú)擾動(dòng)時(shí)的效果;如果把所關(guān)注的換熱面積放大，則兩種程度的擾動(dòng)對(duì)換熱效果的加強(qiáng)都是有利的，且70％Wb時(shí)