本文關鍵詞：過渡流狀態(tài)下后向臺階的流動特性以及傳熱機理的研究

  更多相關文章： 過渡流 后向臺階 流動特性 傳熱特性 非定常 數(shù)值模擬

【摘要】：在當前國際社會積極應對能源緊缺,提高能源利用效率的背景下,換熱設備作為工業(yè)上廣泛應用的熱量傳遞設備,正向著高效、小型的方向發(fā)展。管內(nèi)換熱設備小型化后,管內(nèi)將會出現(xiàn)更多的過渡流狀態(tài)。由于過渡流是一種有別于層流和湍流的特殊流動狀態(tài),基于湍流的流動傳熱機理已不完全適用于過渡流,所以對過渡流下傳熱機理的研究已經(jīng)引起了廣大學者的關注。后向臺階是用于研究分離流動和強化傳熱的常用幾何模型之一,主要有兩方面原因：一是后向臺階不僅幾何模型簡單,而且后向臺階流動包含了分離流動復雜的流動特性；二是流過后向臺階的流體由于流動截面突擴發(fā)生流動分離,能夠使穩(wěn)定的流動狀態(tài)提前向不穩(wěn)定流態(tài)轉(zhuǎn)變,這是低雷諾數(shù)下強化傳熱的常用手段之一。許多高性能管內(nèi)換熱設備的流場具有分離流動的特征,其流動和傳熱模型可以簡化為后向臺階模型。本論文針對后向臺階在過渡流狀態(tài)下的流動特性和傳熱特性開展研究,結(jié)合流場結(jié)構(gòu)的變化對傳熱機理進行分析,解明過渡流下分離流動的傳熱機理。由于過渡流區(qū)域流動狀態(tài)的復雜性、流動控制方程的非線性,本文采用非定常數(shù)值方式建立了后向臺階的流動傳熱數(shù)值模型,通過數(shù)值模擬的方法對后向臺階在過渡流下的流動及傳熱特性進行了系統(tǒng)的研究,取得了一些具有學術意義及實用價值的研究結(jié)論：流體的進口流速、臺階的幾何參數(shù)是影響流場和傳熱特性的基本參數(shù)。首先在低雷諾數(shù)下系統(tǒng)地研究了雷諾數(shù)、臺階高度、平板間高度、擴張比等參數(shù)的變化對后向臺階底面?zhèn)鳠崽匦缘挠绊?結(jié)合流場結(jié)構(gòu)對傳熱規(guī)律進行了分析,為研究后向臺階在過渡流下的非定常的流場和傳熱特性做準備。在過渡流下,通過數(shù)值模擬系統(tǒng)地研究了雷諾數(shù)增大時,臺階下游的流場、溫度場的變化情況；根據(jù)再附著點上游主回流區(qū)流場結(jié)構(gòu)的變化,將流場分為三種情況后,對流場結(jié)構(gòu)、流動特性作了進一步的研究,結(jié)合流場結(jié)構(gòu)的變化分析了臺階底面的時均傳熱特性；比較了不同工況下近壁面處的溫度、速度、壓力對后向臺階底面的傳熱特性的影響。過渡流下的后向臺階流動會在流道的中間區(qū)域產(chǎn)生大尺度的旋轉(zhuǎn)方向相反的旋渦對,在流道的上、下壁面分別產(chǎn)生小尺度的附壁旋渦；后向臺階底面的局部時均努塞爾數(shù)沿著流動方向的分布出現(xiàn)主峰、次峰；主回流區(qū)內(nèi)部底面出現(xiàn)的附壁旋渦強化了主峰上游壁面附近的傳熱。后向臺階下游的流動參數(shù)隨著時間的變化規(guī)律表明了過渡流下后向臺階的流場具有非定常特性。比較了不同雷諾數(shù)下,后向臺階下游底面局部努塞爾數(shù)、局部表面摩擦系數(shù)的瞬時分布和時均分布,結(jié)合瞬時流場結(jié)構(gòu)對瞬時傳熱特性作了詳細分析。比較了同一瞬時的后向臺階底面的局部努塞爾數(shù)和局部表面摩擦系數(shù)曲線的分布特征,根據(jù)流動特征和傳熱特征,把后向臺階下游的非定常流動區(qū)域分為“強周期性區(qū)”和“弱周期性區(qū)”,雷諾數(shù)越大,弱周期性區(qū)域擴大,流場的非定常特性越強。在過渡流下,研究了后向臺階的擴張比對流場、底面時均傳熱特性的影響。擴張比越大,流道中正、負旋渦相互阻隔,流體之間的相互作用越強烈,底面局部時均努塞爾數(shù)的主峰值提高,但主峰下游局部時均努塞爾數(shù)普遍較低；減小擴張比,正、負旋渦之間的相互作用減弱,底面局部時均努塞爾數(shù)的主峰值減小,但主峰下游局部時均努塞爾數(shù)提高；減小擴張比,主峰、次峰的間距增大,但雙峰現(xiàn)象減弱。研究了不同擴張比的后向臺階在過渡流下的瞬時流場、瞬時傳熱特性隨著時間的變化,減小擴張比,底面局部瞬時努塞爾數(shù)的波動幅值減小,相鄰兩個波峰之間的間距增加,說明底面相鄰附壁旋渦的間距增加了,同一段距離內(nèi),附壁旋渦的個數(shù)減少了。在過渡流下,結(jié)合對流場的分析,研究了后向臺階流動的傳熱機理。過渡流下,后向臺階流道中的負旋渦將主流中的冷流體帶入壁面,冷流體和熱壁面進行充分的換熱,提高了壁面的局部瞬時努塞爾數(shù)。后向臺階流道中的正旋渦雖然加速了壁面處的速度,但是速度方向平行于壁面,所以溫度邊界層快速增厚,壁面的換熱惡化,降低了壁面的局部瞬時努塞爾數(shù)。局部瞬時努塞爾數(shù)的各個峰值位于底面每個附壁旋渦下游的拐點附近,局部瞬時努塞爾數(shù)的波谷位置始終處于流道中正旋渦的下方。流道中的旋渦隨時間變化向下游運動,所以局部瞬時努塞爾數(shù)的峰值、波谷位置隨時間也向下游移動。本論文的研究工作可以豐富過渡流下的傳熱理論,為改進換熱設備的結(jié)構(gòu)、進一步提高換熱器在過渡流狀態(tài)下的換熱效率提供參考,具有重要的科學理論意義和工程應用價值。
【關鍵詞】：過渡流 后向臺階 流動特性 傳熱特性 非定常 數(shù)值模擬
【學位授予單位】：江蘇大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TK124
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第1章 緒論13-27
• 1.1 課題研究背景13-14
• 1.2 對流強化傳熱技術概述14-17
• 1.2.1 對流強化傳熱的途徑14-15
• 1.2.2 管內(nèi)對流強化傳熱的主要方式15-17
• 1.3 后向臺階的研究概述17-24
• 1.3.1 后向臺階的工程應用17-18
• 1.3.2 后向臺階的流場研究現(xiàn)狀18-22
• 1.3.3 后向臺階的傳熱特性研究現(xiàn)狀22-24
• 1.4 本文主要研究內(nèi)容24-25
• 1.5 本章小結(jié)25-27
• 第2章 后向臺階流動與傳熱的數(shù)學模型和計算方法27-49
• 2.1 后向臺階流動與傳熱的數(shù)學描述27-28
• 2.1.1 計算區(qū)域27
• 2.1.2 控制方程27-28
• 2.1.3 邊界條件28
• 2.2 計算區(qū)域的離散化處理28-32
• 2.2.1 網(wǎng)格生成的方法28-29
• 2.2.2 計算區(qū)域的網(wǎng)格劃分及細化29-30
• 2.2.3 控制容積30-31
• 2.2.4 交錯網(wǎng)格31-32
• 2.3 控制方程的離散與求解32-40
• 2.3.1 數(shù)值模擬方法32
• 2.3.2 離散化方法32-33
• 2.3.3 控制方程的離散33-37
• 2.3.4 壁面處有限差分方程的系數(shù)修正37-39
• 2.3.5 壓力與速度的耦合及修正39-40
• 2.4 數(shù)值模型的建立方法40-41
• 2.5 無量綱參數(shù)41-42
• 2.5.1 雷諾數(shù)41
• 2.5.2 努塞爾數(shù)41-42
• 2.5.3 表面摩擦系數(shù)42
• 2.6 數(shù)值計算方法的驗證42-47
• 2.6.1 網(wǎng)格獨立性考核42-45
• 2.6.2 數(shù)值計算模型的驗證45-47
• 2.7 本章小結(jié)47-49
• 第3章 低雷諾數(shù)下后向臺階流動及傳熱特性的影響參數(shù)49-61
• 3.1 數(shù)值計算模型49
• 3.2 雷諾數(shù)對后向臺階流動及傳熱特性的影響49-54
• 3.2.1 雷諾數(shù)對流場的影響49-51
• 3.2.2 雷諾數(shù)對溫度場及底面局部努塞爾數(shù)分布的影響51-52
• 3.2.3 雷諾數(shù)對流道剖面上速度和溫度分布的影響52-54
• 3.3 不同擴張比下后向臺階底面局部努塞爾數(shù)的分布54-55
• 3.4 影響后向臺階流動與傳熱特性的幾何參數(shù)55-59
• 3.4.1 后向臺階通道的出口高度變化對傳熱特性的影響55-57
• 3.4.2 后向臺階的臺階高度變化對傳熱特性的影響57-59
• 3.5 本章小結(jié)59-61
• 第4章 過渡流下后向臺階的非定常流動及傳熱特性61-93
• 4.1 數(shù)值計算模型61-62
• 4.2 后向臺階的流場62-70
• 4.2.1 流場隨雷諾數(shù)的變化62-65
• 4.2.2 流動結(jié)構(gòu)的分析65-66
• 4.2.3 流動特性的分析66-70
• 4.3 后向臺階的溫度場70-79
• 4.3.1 溫度場隨雷諾數(shù)的變化70-73
• 4.3.2 后向臺階底面的時均傳熱特性73-75
• 4.3.3 近壁面流動、傳熱參數(shù)的比較75-79
• 4.4 后向臺階非定常特性的分析79-91
• 4.4.1 底面局部努塞爾數(shù)分布79-81
• 4.4.2 底面局部表面摩擦系數(shù)分布81-83
• 4.4.3 Nu、C_f分布曲線特征的比較和分析83-89
• 4.4.4 局部時均努塞爾數(shù)的比較和分析89-91
• 4.5 本章小結(jié)91-93
• 第5章 過渡流下不同擴張比的后向臺階的流動及傳熱特性93-111
• 5.1 數(shù)值計算模型93
• 5.2 不同擴張比下后向臺階傳熱、流動特性的比較93-100
• 5.2.1 底面局部時均努塞爾數(shù)的比較93-94
• 5.2.2 瞬時溫度場的比較94-96
• 5.2.3 瞬時流場的比較96-100
• 5.3 周期內(nèi)流場和傳熱特性隨時間的變化100-110
• 5.3.1 研究周期的確定100-101
• 5.3.2 底面局部瞬時努塞爾數(shù)隨時間的變化101-105
• 5.3.3 瞬時流場隨時間的變化105-110
• 5.4 本章小結(jié)110-111
• 第6章 過渡流下后向臺階流動的傳熱機理分析111-127
• 6.1 概述111
• 6.2 底面瞬時流動特性和傳熱特性的比較111-115
• 6.3 瞬時流場、溫度場隨著時間的變化115-122
• 6.4 流動的統(tǒng)計特征122-124
• 6.5 溫度場的統(tǒng)計特征124-125
• 6.6 本章小結(jié)125-127
• 第7章 結(jié)論與展望127-131
• 7.1 本文主要成果與結(jié)論127-129
• 7.2 本文的創(chuàng)新點129
• 7.3 對今后工作的展望129-131
• 參考文獻131-139
• 致謝139-141
• 攻讀博士學位期間發(fā)表的學術論文及其他科研成果141

【相似文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 何永森,劉邵英,陳達勝,郭鐵,盧小勇;液壓系統(tǒng)內(nèi)過渡流數(shù)值預測中的計算機應用[J];礦業(yè)研究與開發(fā);1993年02期

2 盧倪,盧俊;深冷霜凝聚的數(shù)學模型[J];華中工學院學報;1986年03期

3 仲敏波;包雅媛;袁銀男;喜冠南;;過渡流下后向臺階壁面?zhèn)鳠岬臅r均特性研究[J];機械工程學報;2014年10期

4 徐倩楠;吳虎;;某渦輪過渡流道彎掠支板反設計及性能分析[J];計算機仿真;2013年09期

5 巴德純，楊乃恒，王曉冬，王孝珍，朱岳，龐世謹;分子泵中螺旋通道在過渡流和滑流態(tài)抽氣特性的研究[J];真空;1995年01期

6 巴德純,劉波,王曉冬,楊乃恒,于治明;盤型分子泵3D過渡流特性[J];真空科學與技術學報;2004年01期

7 戎宜生;陳偉芳;石于中;劉偉強;;過渡流區(qū)圓柱體駐點熱流的工程計算[J];國防科技大學學報;2008年05期

8 楊金廣;吳虎;杜志能;王雷;陳云;;基于一維模型的渦輪過渡流道優(yōu)化設計[J];推進技術;2012年02期

9 唐曉毅;吳虎;楊金廣;;渦輪過渡流道性能分析的一維模型及其參數(shù)化研究[J];科學技術與工程;2013年15期

10 ;[J];;年期

中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 于治明;王曉冬;巴德純;楊乃恒;;螺旋槽式渦輪增壓泵過渡流分子運動規(guī)律分析[A];中國真空學會第六屆全國會員代表大會暨學術會議論文摘要集[C];2004年

中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 仲敏波;過渡流狀態(tài)下后向臺階的流動特性以及傳熱機理的研究[D];江蘇大學;2015年

，

本文編號：1082048