有限長(zhǎng)方形柱體尾流流動(dòng)及傳熱特性研究.pdf

1、本文采用了多種實(shí)驗(yàn)手段，如熱線、冷線、PIV、LDV 以及流動(dòng)顯示等，研究了一端固定于壁面一端為自由端面的有限長(zhǎng)方形截面柱體尾流的流動(dòng)結(jié)構(gòu)和傳熱特性。 實(shí)驗(yàn)中所主要研究的有限長(zhǎng)柱體高寬比分別為3，5 和7，柱體寬度為20mm。所有實(shí)驗(yàn)均在亞臨界Reynolds 數(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行，保證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果與大部分文獻(xiàn)中所報(bào)道結(jié)果的可比性。研究主要圍繞有限長(zhǎng)方形截面柱體高寬比對(duì)其后尾流結(jié)構(gòu)的影響，壁面邊界條件對(duì)有限長(zhǎng)柱體尾流的影響，以及有限長(zhǎng)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(zhǎng)方形截面柱體尾流主要由三個(gè)部分組成，即柱體側(cè)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(dòng)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(zhǎng)柱體尾流的特性。 有限方形截面柱體的高寬比對(duì)其尾流有顯著的影響。當(dāng)H/d 大于某一臨界值時(shí)，尾流中除靠近自由端面的大部分區(qū)域內(nèi)反對(duì)稱的Kármán 渦街在都占主導(dǎo)地位；而當(dāng)H/d 小于該

3、臨界值時(shí)，尾流則主要被對(duì)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(duì)稱變?yōu)閷?duì)稱的趨勢(shì)，因此，在自由端面下降流或底部上升流較強(qiáng)的區(qū)域內(nèi)反對(duì)稱渦街出現(xiàn)的概率會(huì)減少，而在其影響較小的區(qū)域內(nèi)，反對(duì)稱渦街的概率會(huì)增加。對(duì)于H/d 較小的柱體，自由端面下降流和底部上升流相對(duì)較強(qiáng)，因此其尾流中對(duì)稱渦結(jié)構(gòu)占主要地位；而對(duì)于H/d 相對(duì)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(duì)稱渦街為主，而當(dāng)靠近自由端面或底部時(shí)，反對(duì)

4、稱渦街概率有所減小。頂部渦對(duì)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(duì)有限長(zhǎng)柱體尾流也有顯著的影響。當(dāng)邊界層厚度增加時(shí)，底部渦被增強(qiáng)，因此尾流中上升流得到加強(qiáng)而下降流則相對(duì)被抑制。邊界變化對(duì)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(duì)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(yīng)的，尾流中Reynolds

5、應(yīng)力在下半部分有所減少而在上半部分反而增加。 對(duì)有限長(zhǎng)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(jìn)行了研究。由于尾流具有很強(qiáng)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(duì)較弱，因此其對(duì)尾流中散熱的影響已經(jīng)很小。由擬序結(jié)構(gòu)所帶來的溫度脈動(dòng)和熱流都明顯小于二維方形截面柱體尾流中的對(duì)應(yīng)值。由隨機(jī)脈動(dòng)所帶來的熱流在尾流傳熱過程中占了主導(dǎo)地位。對(duì)H/d＝5 和7 的柱體，尾流中不同高度上的傳熱特性