本文關(guān)鍵詞：沖擊射流換熱的大渦模擬

  更多相關(guān)文章： 沖擊射流 傳熱 湍流 大渦模擬 OpenFOAM 環(huán)形渦旋 Nusselt數(shù)

【摘要】：沖擊射流在基礎(chǔ)研究和工業(yè)應(yīng)用中扮演著相當(dāng)重要的角色,是一個被廣泛研究的流動形態(tài)。高效的傳熱和傳質(zhì)特性使得其在工業(yè)上的表面冷卻、加熱和烘干中的應(yīng)用不斷增加。本文采用大渦模擬的計算方法,在OpenFOAM軟件平臺上,對噴口-壁面距離為5倍噴口直徑,無擋板的空氣垂直沖擊射流的流動和換熱問題進(jìn)行研究。首先,對三個中等射流Reynolds數(shù)4400、1.0×10~4和2.3×10~4的圓形沖擊射流進(jìn)行了數(shù)值模擬計算。通過將計算結(jié)果與已經(jīng)公開發(fā)表的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,驗(yàn)證了數(shù)值計算方法的準(zhǔn)確性。對三個算例的瞬態(tài)和時均結(jié)果的對比分析表明,對于三個射流Reynolds數(shù)的情況,渦旋結(jié)構(gòu)都沒有形成完整的圓環(huán)。沖擊射流的大尺度湍流流動結(jié)構(gòu),并沒有隨著射流Reynolds數(shù)的變化而發(fā)生本質(zhì)上的改變。射流Reynolds數(shù)的變化對歸一化平均速度大小幾乎沒有影響,而對歸一化平均湍動能有輕微的影響。在兩個徑向位置處,射流Reynolds數(shù)的變化對歸一化平均速度沿垂直方向分布的影響可以忽略。射流Reynolds數(shù)對歸一化平均速度軸向分量的影響,主要表現(xiàn)在射流中軸線的位置附近。然后,研究了噴口形狀對流動和傳熱特性的影響。對橢圓沖擊射流換熱問題進(jìn)行了模擬計算,橢圓形噴口截面長寬比為1.5,射流Reynolds數(shù)為4400。將瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)的計算結(jié)果與上述圓形沖擊射流的相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析,結(jié)果表明：對于圓形和橢圓形兩種噴口形狀的沖擊射流,流動中的大尺度渦旋結(jié)構(gòu)大同小異,都沒有形成閉合的圓環(huán)；在自由射流剪切層附近的區(qū)域,橢圓沖擊射流的湍動能水平略低于圓形射流；局部Nusselt數(shù)在橢圓長軸上的分布出現(xiàn)了第二峰值,而在短軸上或在圓形射流中則沒有出現(xiàn)第二峰值；與圓形沖擊射流相比,橢圓沖擊射流的換熱水平在空間分布上更均勻；在滯止點(diǎn)附近的區(qū)域內(nèi),圓形沖擊射流的強(qiáng)化換熱效果優(yōu)于橢圓射流；當(dāng)所關(guān)注的換熱面積足夠大時,兩種沖擊射流的換熱效果幾乎相同。最后,模擬了入口速度場施加主動擾動的沖擊射流。速度場擾動的振幅分別是入口整體速度Wb的30%和70%,射流Reynolds數(shù)為10000。通過將瞬態(tài)和時均結(jié)果與相應(yīng)的無擾動射流對比,得出以下幾個方面的結(jié)論：入口速度場擾動對大尺度流動結(jié)構(gòu)有本質(zhì)上的影響,在入口邊界施加擾動的射流中出現(xiàn)了比較完整、光滑的圓環(huán)形渦旋結(jié)構(gòu)；速度場擾動帶來的周期性的速度變化對應(yīng)著周期性的環(huán)形渦旋結(jié)構(gòu)；對速度場的擾動幅度越大,大尺度的渦旋結(jié)構(gòu)越規(guī)則、光滑,并且隨著流動的行進(jìn),渦旋更加不易破碎,帶來的卷吸作用更強(qiáng)烈；沖擊射流的入口速度場擾動,會導(dǎo)致流場中湍動能瞬態(tài)值的明顯提高,這種作用隨著擾動振幅的增加而加強(qiáng)；另一方面,入口速度場擾動通過改變湍流中的大尺度渦旋結(jié)構(gòu),使湍動能的分布也出現(xiàn)了明顯的變化；入口速度場擾動對速度的脈動和湍流應(yīng)力的影響,比其對平均速度的影響更大；對于滯止點(diǎn)附近的小塊換熱面積,施加速度場擾動振幅30%Wb的沖擊換熱效果優(yōu)于無擾動時的效果,然而,施加振幅70%Wb擾動時的沖擊換熱效果卻不及無擾動時的效果；如果把所關(guān)注的換熱面積放大,則兩種程度的擾動對換熱效果的加強(qiáng)都是有利的,且70%毗時的換熱效果更好；而當(dāng)所關(guān)注的換熱面積足夠大時,速度場擾動對換熱效果的影響則可以忽略不計。
【關(guān)鍵詞】：沖擊射流 傳熱 湍流 大渦模擬 OpenFOAM 環(huán)形渦旋 Nusselt數(shù)
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TK124
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-15
• 第一章 緒論15-39
• 1.1 研究背景和意義15-21
• 1.1.1 燃?xì)廨啓C(jī)組件的冷卻15
• 1.1.2 緊湊壓縮型冷卻器15-17
• 1.1.3 電子設(shè)備冷卻17
• 1.1.4 大氣微爆17-19
• 1.1.5 垂直起落飛機(jī)19
• 1.1.6 高溫燃?xì)獬?/span>19
• 1.1.7 沖擊射流傳質(zhì)的應(yīng)用19-21
• 1.2 沖擊射流換熱問題的物理特性21-22
• 1.3 沖擊射流換熱的數(shù)值研究方法22-24
• 1.3.1 直接數(shù)值模擬22-23
• 1.3.2 大渦模擬23
• 1.3.3 RANS模型23-24
• 1.4 沖擊射流換熱的研究現(xiàn)狀24-37
• 1.4.1 發(fā)表在國際期刊上的研究概況24-33
• 1.4.2 國內(nèi)對沖擊射流的研究情況33-37
• 1.5 本文的工作內(nèi)容37-39
• 第二章 計算方法39-47
• 2.1 物理問題與控制方程組39-41
• 2.1.1 問題描述39
• 2.1.2 大渦模擬濾波操作39-40
• 2.1.3 控制方程組40-41
• 2.2 方程封閉模型41-45
• 2.2.1 動量方程封閉模型41-44
• 2.2.2 能量方程封閉模型44
• 2.2.3 大渦模擬的近壁處理44-45
• 2.3 數(shù)值方法45-47
• 第三章 不同Reynolds數(shù)的沖擊射流換熱47-63
• 3.1 問題描述與邊界條件47-49
• 3.2 計算參數(shù)和精度49-51
• 3.3 結(jié)果和討論51-60
• 3.4 小結(jié)60-63
• 第四章 橢圓形沖擊射流換熱63-77
• 4.1 問題描述與邊界條件63-64
• 4.2 計算參數(shù)和精度64-66
• 4.3 結(jié)果和討論66-74
• 4.3.1 流動特性66-70
• 4.3.2 傳熱特性70-74
• 4.4 小結(jié)74-77
• 第五章 施加擾動的沖擊射流換熱77-93
• 5.1 問題描述與邊界條件77-78
• 5.2 計算參數(shù)和精度78-79
• 5.3 結(jié)果和討論79-89
• 5.3.1 流場瞬態(tài)特性79-84
• 5.3.2 流場時均特性84-89
• 5.3.3 傳熱特性89
• 5.4 小結(jié)89-93
• 第六章 結(jié)論與展望93-97
• 6.1 本文的主要工作和結(jié)論93-95
• 6.2 后續(xù)研究工作的展望95-97
• 參考文獻(xiàn)97-107
• 攻讀博士學(xué)位期間的研究成果107-109
• 致謝109

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本文編號：563462