旋轉曲線管道內湍流流動結構和傳熱特性研究.pdf

1、本文工作是國家自然科學基金《旋轉曲線管道內流動結構與傳熱特性研究》(No．10272096)研究內容的一部分。 旋轉曲線管道廣泛存在于工程應用中，在各種旋轉機械的流體輸運系統，控制管路系統以及管路冷卻系統中，流體的流動和對流傳熱特性是影響機械性能的重要因素。在工程實際中，絕大多數流動都處于湍流狀態(tài)。在湍流運動狀態(tài)下，曲線管道系統中的流動和對流傳熱特性是研究較少，但又是迫切需要解決的課題：同時，因為血管的血液流動是一個典型的曲線管

2、道內流動問題，因此該課題的深入研究還有助于生物流體力學的進展。由此可以看出，本課題具有重要理論意義和廣闊的應用前景。 本文在總結和分析了近一百多年來有關曲線管道流動和對流傳熱特性研究成果的基礎上，推導出螺旋曲線坐標系下，以多參數旋轉螺旋管道為基礎的雷諾平均N-S方程，k-ε湍流模型方程以及能量方程。并采用數值方法研究處于靜止和旋轉狀態(tài)下，不同參數和截面形狀的螺旋管道內湍流流動和對流傳熱特性。詳細分析了充分發(fā)展的和發(fā)展段的湍流管道

3、內，不同截面形狀和幾何參數對軸向速度分布，截面二次流結構，湍動能，曲線管道摩擦比，溫度分布和曲線管道Nusselt系數比等管道流動和傳熱特性的影響。 本文的貢獻和創(chuàng)新主要表現在：推導并數值求解了旋轉曲線坐標系下螺旋管道內的湍流雷諾平均N-S方程和k-ε兩方程湍流模型方程，分析了各個參數對于湍流流動和傳熱特性的影響。主要研究結果有： (1) 螺旋管道內湍流流動時軸向速度分布比較層流要顯得平坦，軸向速度最大值要小于層流時的軸

4、向速度最大值。 (2) 靜止圓截面螺旋管道內湍流的管道截面上，存在兩個旋轉方向相反的二次渦，上方順時針旋轉的二次渦被壓縮在一個很小的范圍之內，比層流狀態(tài)下的要小很多。在方截面彎管的湍流流動中，當寬高比小于某個值時，流動會出現不穩(wěn)定現象，此時截面外彎側會出現一對額外的二次渦。與層流相比，截面上并沒有發(fā)現多于四個二次渦的情形，當寬高比進一步減小的時候，流動又趨于穩(wěn)定狀態(tài)。 (3) 在本文所考慮的旋轉數范圍內([-2，1])，

5、軸向速度最大值隨著旋轉數的增大先逐漸增大，在-0.25附近達到最大值，然后又逐漸減小。二次流、無量綱溫度、摩擦系數以及Nusselt數都先逐漸減小，在-1附近達到最小值，然后又不斷增大。 (4) 旋轉螺旋管道內湍流流動的管道摩擦系數和Nusselt數要明顯大于層流時的數值，在管道入口發(fā)展段，管道摩擦系數和Nusselt數沿著軸向的變化，出現了比較明顯的振蕩。這兩個系數在旋轉數為-1時達到最小值，但是在數值上都大于相同條件下直管道