有限長方形柱體尾流流動及傳熱特性研究.pdf

1、本文采用了多種實驗手段，如熱線、冷線、PIV、LDV 以及流動顯示等，研究了一端固定于壁面一端為自由端面的有限長方形截面柱體尾流的流動結構和傳熱特性。 實驗中所主要研究的有限長柱體高寬比分別為3，5 和7，柱體寬度為20mm。所有實驗均在亞臨界Reynolds 數(shù)范圍內(nèi)進行，保證了實驗結果與大部分文獻中所報道結果的可比性。研究主要圍繞有限長方形截面柱體高寬比對其后尾流結構的影響，壁面邊界條件對有限長柱體尾流的影響，以及有限長方形

2、截面柱體尾流中的傳熱特性等問題而展開。研究發(fā)現(xiàn)，有限長方形截面柱體尾流主要由三個部分組成，即柱體側面所脫落的剪切流，自由端面后的下降流及柱體底部附近的上升流，這三部分流動分別形成尾流中的軸向渦，頂部渦和底部渦。上述三種渦的相互作用規(guī)律決定了有限長柱體尾流的特性。 有限方形截面柱體的高寬比對其尾流有顯著的影響。當H/d 大于某一臨界值時，尾流中除靠近自由端面的大部分區(qū)域內(nèi)反對稱的Kármán 渦街在都占主導地位；而當H/d 小于該

3、臨界值時，尾流則主要被對稱的拱門形渦街所支配。頂部渦和底部渦都具有將尾流從反對稱變?yōu)閷ΨQ的趨勢，因此，在自由端面下降流或底部上升流較強的區(qū)域內(nèi)反對稱渦街出現(xiàn)的概率會減少，而在其影響較小的區(qū)域內(nèi)，反對稱渦街的概率會增加。對于H/d 較小的柱體，自由端面下降流和底部上升流相對較強，因此其尾流中對稱渦結構占主要地位；而對于H/d 相對較大的柱體，在尾流中間高度上由于上升流和下降流的影響較小，尾流以反對稱渦街為主，而當靠近自由端面或底部時，反對

4、稱渦街概率有所減小。頂部渦對尾流的影響要大于底部渦的影響，并且頂部渦在尾流中衰減的較慢。 邊界條件對有限長柱體尾流也有顯著的影響。當邊界層厚度增加時，底部渦被增強，因此尾流中上升流得到加強而下降流則相對被抑制。邊界變化對尾流的影響不僅表現(xiàn)在邊界層厚度以內(nèi)的尾流中，而且在超過邊界層范圍的尾流中也同樣存在影響。 隨著邊界層厚度的增加，反對稱渦街概率在尾流下半部分有所減少而在上半部分則有所增加。相應的，尾流中Reynolds

5、應力在下半部分有所減少而在上半部分反而增加。 對有限長方形截面柱體尾流的傳熱特性在流向距離為x*＝10 的位置上進行了研究。由于尾流具有很強的三維性，在該流向位置上，周期性Kármán 渦街在尾流中的影響已經(jīng)相對較弱，因此其對尾流中散熱的影響已經(jīng)很小。由擬序結構所帶來的溫度脈動和熱流都明顯小于二維方形截面柱體尾流中的對應值。由隨機脈動所帶來的熱流在尾流傳熱過程中占了主導地位。對H/d＝5 和7 的柱體，尾流中不同高度上的傳熱特性