【摘要】：肋片廣泛應用于換熱器、工業(yè)燃燒器及透平機械等工業(yè)裝備,而肋片引起的分離-附著流動則是流體力學中一個基礎問題。關于前、后臺階分離-附著流動的研究較為豐富,而貼壁肋片繞流更復雜,對其中復雜的物理過程了解還不全面。本文采用大渦模擬方法對貼壁肋片的流動和換熱進行數(shù)值研究,重點關注流場結(jié)構(gòu)及其演化、非穩(wěn)定特性、換熱機制等,希望對肋片分離-附著流動有一個較為深入的理解和認識。本文的主要工作如下:首先,對低雷諾數(shù)(Reh=U0h/v=1000)、層流分離時肋片流場不穩(wěn)定性進行數(shù)值研究。利用頻譜分析方法發(fā)現(xiàn)在剪切層中存在兩個明顯的頻率,分別為Sth=0.36和0.18,其中前者對應剪切層的K-H不穩(wěn)定性;通過壓力脈動和Q準則等值面表征的流場結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)肋片下游渦結(jié)構(gòu)的脫落與配對現(xiàn)象,即Sth=0.18認為與剪切層中渦結(jié)構(gòu)配對過程相關。其次,對較高雷諾數(shù)下(Reh=3000)湍流分離的貼壁肋片流場內(nèi)的流場結(jié)構(gòu)及特征不穩(wěn)定性進行系統(tǒng)研究。采用條件平均方法,發(fā)現(xiàn)在回流區(qū)內(nèi)存在周期性渦結(jié)構(gòu)脫落現(xiàn)象,并引起剪切層的擺動和回流區(qū)的伸縮。通過頻譜分析,發(fā)現(xiàn)在湍流分離流場中除剪切層內(nèi)K-H不穩(wěn)定性(Sth≈0.4)外,在回流區(qū)內(nèi)還存在兩個低頻頻率,分別為Sth≈0.06和Sth≈0.09。通過POD方法發(fā)現(xiàn)存在空間模態(tài)配對交替出現(xiàn)的現(xiàn)象,這反映了大尺度結(jié)構(gòu)的脫落過程;同時,在靠近壁面附近以流向結(jié)構(gòu)為主,而在剪切層中以展向渦結(jié)構(gòu)為主。這說明流場中存在兩種渦結(jié)構(gòu)機制,即Sth≈0.09對應展向渦結(jié)構(gòu)引起的剪切層擺動頻率,而Sth≈0.06則對應流向渦結(jié)構(gòu)引起的回流區(qū)前后伸縮不穩(wěn)定性。再者,通過引入周期性零質(zhì)量射流對流場進行主動控制,研究了五種不同擾動頻率對貼壁肋片流場結(jié)構(gòu)演化及壁面換熱的影響。研究發(fā)現(xiàn),當擾動頻率與剪切層中渦結(jié)構(gòu)配對頻率相當時(即Sth=0.2),能加速分離剪切層的附著。此時平均回流區(qū)大小相比無擾動情況減小了約22.5%;而當擾動頻率為Sth=0.05和Sth=0.2時,對換熱的增強效果最佳,最大壁面努塞爾數(shù)相比無擾動情況增加了約20%。通過對瞬時流場結(jié)構(gòu)和頻譜分析,發(fā)現(xiàn)當激勵頻率與剪切層不穩(wěn)定性頻率相當時(Sth=0.2和Sth=0.4),能誘導剪切層內(nèi)渦結(jié)構(gòu)的配對、融合,但是該激勵頻率對流場的影響局限在肋片附近的剪切層內(nèi);而當激勵頻率與回流區(qū)內(nèi)不穩(wěn)定性相當時(Sth=0.05),對流場的影響范圍則較大,甚至在附著點下游仍能發(fā)現(xiàn)明顯的峰值,說明該頻率能激勵出回流區(qū)下游大尺度渦結(jié)構(gòu)。此外,通過對比斯坦頓數(shù)(St)和摩擦系數(shù)(Cf),發(fā)現(xiàn)在肋后回流區(qū)內(nèi)存在流動與傳熱的不相似性,其主要成因與流場中大尺度展向渦結(jié)構(gòu)順時針旋轉(zhuǎn)相關。該大尺度結(jié)構(gòu)通過將中心冷流體帶至壁面附近,而將壁面處的熱流體夾帶至中心區(qū)域從而增強了換熱;與此同時,減小了壁面處的摩擦系數(shù)。最后,本文對高雷諾數(shù)下(Re=UbDh/v=20000)周期性帶肋通道的流場和強化換熱情況進行了研究,并分析了流場結(jié)構(gòu)和湍流特性對換熱機制的影響。通過對比實體肋片和不同開縫肋片的流場和溫度場,發(fā)現(xiàn)常規(guī)實體肋和中間開縫肋在肋片背部角落處換熱較差,存在局部高溫區(qū)域;肋片底部開縫時,縫隙射流能增強夾縫處及肋片背部的換熱效率,消除局部高溫區(qū)域并有效地降低了壁面溫度分布的不均勻性。從整體換熱效率和強化換熱綜合指標來看,常規(guī)實體肋的效率最高,而中間開縫肋則最差。這是由于從開縫處流出的流體阻礙了剪切層的附著,使下游壁面附近的湍流度減小。
【圖文】：

者呈正相關關系。此外，分離點處邊界層的狀態(tài)（層流或湍流）對附著長度也有逡逑很重要的影響。但是邊界層狀態(tài)的影響是一個非線性過程而非獨立存在的，往往逡逑與雷諾數(shù)、邊界層厚度相關（Ｅａｔｏｎ邋ｅｔａｌ．，邋１９８１）。圖１．２給出了分離點處邊界層狀逡逑

Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ邋ｖｏｒｔｉｃｅｓ邋Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ邋ｂｕｂｂｌｅ邋Ｒｅａｔｔａｃｈｍｅｎｔ邋Ｖｏｒｔｅｘ邋ｓｈｅｄｄｉｎｇ逡逑ｚｃｒｎｅ逡逑圖１．１后臺階分離－附著流動示意圖（Ｄｒｉｖｅｒ邋ｅｔａｌ．，１９８７）逡逑在早期的研宄中，平均附著長度作為一個重要的參數(shù)受到廣泛關注（Ｋｉｍ，逡逑１９７８；邋Ｅａｔｏｎ邋ｅｔ邋ａｌ．，丨邋９８１；邋Ａｄａｍｓ邋ｅｔａｌ．，１９８８ａ；邋Ｉｓｏｍｏｔｏｅｔａｌ．，１９８９；邋Ｏｔｕｇｅｎ，１９９１）。影逡逑響后臺階平均附著長度的因素有很多，參考Ｅａｔｏｎ邋ｅｔａｌ．邋（１９８１）的綜述文章，可將逡逑其表示為來流條件和幾何參數(shù)的函數(shù)：逡逑Ｌｒ邋＝邋ｆ（Ｒｅｈｌ邋ＡＲ，邋ＥＲ，邋Ｓ，邋ｄｐ／ｄｘ，邋ＴＩ）邐（１．１）逡逑其中，，為基于臺階高度和來流速度的雷諾數(shù)；Ｊ／？為風洞長寬比；幻？為臺階逡逑擴張比；５為來流邊界層厚度；３ｐ／３ｘ為流Ｎ壓力梯度；７７為來流湍流強度。雷逡逑諾數(shù)對附著長度的影響方面，Ａｒｎｉａｌｙ邋ｅｔａｌ．邋（１９８３）通過實驗研宄了雷諾數(shù)為７０－逡逑８０００的后臺階流動，發(fā)現(xiàn)附著長度在／＾／＞小于１２００時（即層流段），隨的增逡逑大而增大；在過渡段（１２００＜７＾
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TK124

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本文編號：2710750