本文關(guān)鍵詞：過(guò)渡流狀態(tài)下后向臺(tái)階的流動(dòng)特性以及傳熱機(jī)理的研究

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【摘要】：在當(dāng)前國(guó)際社會(huì)積極應(yīng)對(duì)能源緊缺,提高能源利用效率的背景下,換熱設(shè)備作為工業(yè)上廣泛應(yīng)用的熱量傳遞設(shè)備,正向著高效、小型的方向發(fā)展。管內(nèi)換熱設(shè)備小型化后,管內(nèi)將會(huì)出現(xiàn)更多的過(guò)渡流狀態(tài)。由于過(guò)渡流是一種有別于層流和湍流的特殊流動(dòng)狀態(tài),基于湍流的流動(dòng)傳熱機(jī)理已不完全適用于過(guò)渡流,所以對(duì)過(guò)渡流下傳熱機(jī)理的研究已經(jīng)引起了廣大學(xué)者的關(guān)注。后向臺(tái)階是用于研究分離流動(dòng)和強(qiáng)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(tái)階不僅幾何模型簡(jiǎn)單,而且后向臺(tái)階流動(dòng)包含了分離流動(dòng)復(fù)雜的流動(dòng)特性；二是流過(guò)后向臺(tái)階的流體由于流動(dòng)截面突擴(kuò)發(fā)生流動(dòng)分離,能夠使穩(wěn)定的流動(dòng)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(qiáng)化傳熱的常用手段之一。許多高性能管內(nèi)換熱設(shè)備的流場(chǎng)具有分離流動(dòng)的特征,其流動(dòng)和傳熱模型可以簡(jiǎn)化為后向臺(tái)階模型。本論文針對(duì)后向臺(tái)階在過(guò)渡流狀態(tài)下的流動(dòng)特性和傳熱特性開展研究,結(jié)合流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的變化對(duì)傳熱機(jī)理進(jìn)行分析,解明過(guò)渡流下分離流動(dòng)的傳熱機(jī)理。由于過(guò)渡流區(qū)域流動(dòng)狀態(tài)的復(fù)雜性、流動(dòng)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(tái)階的流動(dòng)傳熱數(shù)值模型,通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)后向臺(tái)階在過(guò)渡流下的流動(dòng)及傳熱特性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,取得了一些具有學(xué)術(shù)意義及實(shí)用價(jià)值的研究結(jié)論：流體的進(jìn)口流速、臺(tái)階的幾何參數(shù)是影響流場(chǎng)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(tái)階高度、平板間高度、擴(kuò)張比等參數(shù)的變化對(duì)后向臺(tái)階底面?zhèn)鳠崽匦缘挠绊?結(jié)合流場(chǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)傳熱規(guī)律進(jìn)行了分析,為研究后向臺(tái)階在過(guò)渡流下的非定常的流場(chǎng)和傳熱特性做準(zhǔn)備。在過(guò)渡流下,通過(guò)數(shù)值模擬系統(tǒng)地研究了雷諾數(shù)增大時(shí),臺(tái)階下游的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)的變化情況；根據(jù)再附著點(diǎn)上游主回流區(qū)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的變化,將流場(chǎng)分為三種情況后,對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、流動(dòng)特性作了進(jìn)一步的研究,結(jié)合流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的變化分析了臺(tái)階底面的時(shí)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(duì)后向臺(tái)階底面的傳熱特性的影響。過(guò)渡流下的后向臺(tái)階流動(dòng)會(huì)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(duì),在流道的上、下壁面分別產(chǎn)生小尺度的附壁旋渦；后向臺(tái)階底面的局部時(shí)均努塞爾數(shù)沿著流動(dòng)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(qiáng)化了主峰上游壁面附近的傳熱。后向臺(tái)階下游的流動(dòng)參數(shù)隨著時(shí)間的變化規(guī)律表明了過(guò)渡流下后向臺(tái)階的流場(chǎng)具有非定常特性。比較了不同雷諾數(shù)下,后向臺(tái)階下游底面局部努塞爾數(shù)、局部表面摩擦系數(shù)的瞬時(shí)分布和時(shí)均分布,結(jié)合瞬時(shí)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)瞬時(shí)傳熱特性作了詳細(xì)分析。比較了同一瞬時(shí)的后向臺(tái)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(dòng)特征和傳熱特征,把后向臺(tái)階下游的非定常流動(dòng)區(qū)域分為“強(qiáng)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(kuò)大,流場(chǎng)的非定常特性越強(qiáng)。在過(guò)渡流下,研究了后向臺(tái)階的擴(kuò)張比對(duì)流場(chǎng)、底面時(shí)均傳熱特性的影響。擴(kuò)張比越大,流道中正、負(fù)旋渦相互阻隔,流體之間的相互作用越強(qiáng)烈,底面局部時(shí)均努塞爾數(shù)的主峰值提高,但主峰下游局部時(shí)均努塞爾數(shù)普遍較低；減小擴(kuò)張比,正、負(fù)旋渦之間的相互作用減弱,底面局部時(shí)均努塞爾數(shù)的主峰值減小,但主峰下游局部時(shí)均努塞爾數(shù)提高；減小擴(kuò)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(kuò)張比的后向臺(tái)階在過(guò)渡流下的瞬時(shí)流場(chǎng)、瞬時(shí)傳熱特性隨著時(shí)間的變化,減小擴(kuò)張比,底面局部瞬時(shí)努塞爾數(shù)的波動(dòng)幅值減小,相鄰兩個(gè)波峰之間的間距增加,說(shuō)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(gè)數(shù)減少了。在過(guò)渡流下,結(jié)合對(duì)流場(chǎng)的分析,研究了后向臺(tái)階流動(dòng)的傳熱機(jī)理。過(guò)渡流下,后向臺(tái)階流道中的負(fù)旋渦將主流中的冷流體帶入壁面,冷流體和熱壁面進(jìn)行充分的換熱,提高了壁面的局部瞬時(shí)努塞爾數(shù)。后向臺(tái)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(shí)努塞爾數(shù)。局部瞬時(shí)努塞爾數(shù)的各個(gè)峰值位于底面每個(gè)附壁旋渦下游的拐點(diǎn)附近,局部瞬時(shí)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(shí)間變化向下游運(yùn)動(dòng),所以局部瞬時(shí)努塞爾數(shù)的峰值、波谷位置隨時(shí)間也向下游移動(dòng)。本論文的研究工作可以豐富過(guò)渡流下的傳熱理論,為改進(jìn)換熱設(shè)備的結(jié)構(gòu)、進(jìn)一步提高換熱器在過(guò)渡流狀態(tài)下的換熱效率提供參考,具有重要的科學(xué)理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。
【關(guān)鍵詞】：過(guò)渡流 后向臺(tái)階 流動(dòng)特性 傳熱特性 非定常 數(shù)值模擬
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：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(duì)流強(qiáng)化傳熱技術(shù)概述14-17
• 1.2.1 對(duì)流強(qiáng)化傳熱的途徑14-15
• 1.2.2 管內(nèi)對(duì)流強(qiáng)化傳熱的主要方式15-17
• 1.3 后向臺(tái)階的研究概述17-24
• 1.3.1 后向臺(tái)階的工程應(yīng)用17-18
• 1.3.2 后向臺(tái)階的流場(chǎng)研究現(xiàn)狀18-22
• 1.3.3 后向臺(tái)階的傳熱特性研究現(xiàn)狀22-24
• 1.4 本文主要研究?jī)?nèi)容24-25
• 1.5 本章小結(jié)25-27
• 第2章 后向臺(tái)階流動(dòng)與傳熱的數(shù)學(xué)模型和計(jì)算方法27-49
• 2.1 后向臺(tái)階流動(dòng)與傳熱的數(shù)學(xué)描述27-28
• 2.1.1 計(jì)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(jì)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(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格劃分及細(xì)化29-30
• 2.2.3 控制容積30-31
• 2.2.4 交錯(cuò)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(wú)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(jì)算方法的驗(yàn)證42-47
• 2.6.1 網(wǎng)格獨(dú)立性考核42-45
• 2.6.2 數(shù)值計(jì)算模型的驗(yàn)證45-47
• 2.7 本章小結(jié)47-49
• 第3章 低雷諾數(shù)下后向臺(tái)階流動(dòng)及傳熱特性的影響參數(shù)49-61
• 3.1 數(shù)值計(jì)算模型49
• 3.2 雷諾數(shù)對(duì)后向臺(tái)階流動(dòng)及傳熱特性的影響49-54
• 3.2.1 雷諾數(shù)對(duì)流場(chǎng)的影響49-51
• 3.2.2 雷諾數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)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(duì)流道剖面上速度和溫度分布的影響52-54
• 3.3 不同擴(kuò)張比下后向臺(tái)階底面局部努塞爾數(shù)的分布54-55
• 3.4 影響后向臺(tái)階流動(dòng)與傳熱特性的幾何參數(shù)55-59
• 3.4.1 后向臺(tái)階通道的出口高度變化對(duì)傳熱特性的影響55-57
• 3.4.2 后向臺(tái)階的臺(tái)階高度變化對(duì)傳熱特性的影響57-59
• 3.5 本章小結(jié)59-61
• 第4章 過(guò)渡流下后向臺(tái)階的非定常流動(dòng)及傳熱特性61-93
• 4.1 數(shù)值計(jì)算模型61-62
• 4.2 后向臺(tái)階的流場(chǎng)62-70
• 4.2.1 流場(chǎng)隨雷諾數(shù)的變化62-65
• 4.2.2 流動(dòng)結(jié)構(gòu)的分析65-66
• 4.2.3 流動(dòng)特性的分析66-70
• 4.3 后向臺(tái)階的溫度場(chǎng)70-79
• 4.3.1 溫度場(chǎng)隨雷諾數(shù)的變化70-73
• 4.3.2 后向臺(tái)階底面的時(shí)均傳熱特性73-75
• 4.3.3 近壁面流動(dòng)、傳熱參數(shù)的比較75-79
• 4.4 后向臺(tái)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(shí)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(guò)渡流下不同擴(kuò)張比的后向臺(tái)階的流動(dòng)及傳熱特性93-111
• 5.1 數(shù)值計(jì)算模型93
• 5.2 不同擴(kuò)張比下后向臺(tái)階傳熱、流動(dòng)特性的比較93-100
• 5.2.1 底面局部時(shí)均努塞爾數(shù)的比較93-94
• 5.2.2 瞬時(shí)溫度場(chǎng)的比較94-96
• 5.2.3 瞬時(shí)流場(chǎng)的比較96-100
• 5.3 周期內(nèi)流場(chǎng)和傳熱特性隨時(shí)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(shí)努塞爾數(shù)隨時(shí)間的變化101-105
• 5.3.3 瞬時(shí)流場(chǎng)隨時(shí)間的變化105-110
• 5.4 本章小結(jié)110-111
• 第6章 過(guò)渡流下后向臺(tái)階流動(dòng)的傳熱機(jī)理分析111-127
• 6.1 概述111
• 6.2 底面瞬時(shí)流動(dòng)特性和傳熱特性的比較111-115
• 6.3 瞬時(shí)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)隨著時(shí)間的變化115-122
• 6.4 流動(dòng)的統(tǒng)計(jì)特征122-124
• 6.5 溫度場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)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(diǎn)129
• 7.3 對(duì)今后工作的展望129-131
• 參考文獻(xiàn)131-139
• 致謝139-141
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文及其他科研成果141

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本文編號(hào)：1082048