壁面扰流影响边界层湍流拟序结构及强化传热机理的研究

从涡流发生器对湍流边界层拟序结构影响的角度来研究强化传热机理．利用计算流体力学软件FLUENT6.3对流体在放置斜截半椭圆柱式涡流发生器矩形槽道内的流动与传热特性进行大涡模拟（LES）,得出流场中速度、涡量、温度与压力参数的瞬态变化特性,并对新型涡流发生器的特性及其对湍流拟序结构的影响进行了分析,得知拟序结构的控制对强化传热起着重要的作用．通过研究拟序结构对流场及温度场的影响,揭示了强化传热的机理,进而为寻求适合的壁面扰流元形式和结构参数,为实现传热强化和流动减阻打下基础．     

纵向涡发生器强化传热研究进展与展望

对通道内布置纵向涡发生器强化传热与流动减阻的研究进展进行了评述,指出了进一步深入研究的方向,主要包括:1)通过系统的实验研究和理论分析研究诱导涡的产生和发展过程,研究流动结构的控制与增强传热和流动减阻的作用机理;2)利用LES或DNS方法进行涡发生器强化传热数值模拟,或发展更先进的湍流模型;3) 引入场协同原理分析纵向涡发生器对湍流拟序结构的控制、进而分析强化传热的机理.     

纵向涡发生器对强化传热的影响

纵向涡发生器可以产生纵向涡,而纵向涡可以影响流体的结构,进而可以影响它们的传热过程.通过使用FLUENT计算软件和粒子图像测试仪(PIV),采用数值模拟和实验来研究布置一种新型纵向涡发生器的流场的非定常流动特性及它对槽道的传热的影响.新型涡流发生器为高宽比为0.5的斜截椭圆柱体.数值计算所用的湍流模型为大涡模拟.将数值模拟和PIV实验结果进行比较,两者的涡量场等极为相似,证明数值模拟的计算准确性.模拟和实验表明:高宽比为0.5的斜截椭圆柱体可以产生纵向涡,可以提高槽道的对流换热系数,起到强化传热的作用.     

等离子点火器三维燃烧流场的大涡模拟

针对等离子点火器的三维燃烧流场进行了大涡模拟．对亚格子项采用Smagorinsky-Lilly模式,湍流燃烧采用涡耗散模型,压力-速度耦合采用SIMPLE算法,空间离散采用中心差分格式,时间离散采用二阶精度的隐式差分格式．得到了燃烧反应流特性参数的分布、湍流燃烧的瞬态发展变化过程以及在拟序结果影响下燃烧的特征．大涡模拟结果表明,复杂的漩涡结构与化学反应的相互作用控制和强化了燃烧过程;在燃烧的充分发展阶段,大涡模拟能更好地反映流场的各项异性和合理的湍流统计物理量的分布,描述了湍流拟序结构对湍流燃烧的影响。     

新型涡流发生器几何结构及换热计算关联式

通过对矩形风道内置有新型涡流发生器一斜截椭圆柱体强化传热性能和压降特性的实验研究,分析了不同雷诺数(Re=800~38000)工况下涡流发生器的几何尺寸和迎流方位对传热和压降的影响.实验结果表明:高宽比h/b=l/2的斜截椭圆柱体较好的几何尺寸和位置参数是斜边倾角α=20°,迎流攻角β=45°.这是马蹄涡和端部涡综合作用的结果.根据77个实验工况回归了斜截椭圆柱体涡流发生器强化换热的准则实验关联式,为工程应用提供了理论依据.实验采用了稳态的气水逆流换热方式,测温数据由HP34970A数据采集系统采集.     

驻留式微气泡阵列流动减阻机理数值研究

为了完善驻留式微气泡阵列减阻的机理理论,基于有限体积方法,采用大涡模拟（LES）方法对平板及驻留微气泡阵列近壁面复杂湍流流动开展数值模拟研究,采用本征正交分解法(POD)提取2种模型近壁区湍流拟序结构进行对比分析.结果表明：相较于平板,驻留微气泡阵列近壁面切应力变化更加平稳,减小了约13.7%;微气泡气/水界面的动态形变使边界层间歇性流动分离再附着,抑制低速流体上抛、高速流体下扫形成的“猝发”现象,湍流相干结构“猝发”频率减小5.6 Hz.利用POD方法,能够有效地提取近壁面复杂湍流拟序结构的主要分布特征,微气泡的存在加强了湍流近壁区内的小尺度结构,促进流场内湍流动能的均匀分布,抑制了拟序结构的发展,体现了驻留微气泡良好的减阻特性.     

沟槽面在湍流减阻中的技术研究及应用进展

针对长输管道中存在的能源消耗问题,分别从湍流边界层流动特性、拟序结构、条带结构、转捩等方面归纳了沟槽面湍流减阻的国内外研究现状,讨论了沟槽的几何形状和尺度、流场压力梯度、沟槽面放置方式对沟槽减阻效能的影响.对沟槽面的减阻机理进行了综述,分析了存在的问题.指出需要利用先进的实验技术如PIV等图像处理手段,并结合计算流体力学软件对湍流边界层的瞬时流场进行研究,以找出沟槽面湍流减阻的机理.数值模拟了在平板中部横向布置的下凹沟槽的流场情况,得到了一种小涡流动结构,同时验证了这种结构在减阻中的作用,阐述了对减阻的另一种认识,并对沟槽面湍流减阻技术及其工业利用进行了展望.     

水平矩形通道内纵向涡强化传热数值研究

纵向涡是一种新型的传热强化技术 ,其传热性能好 ,安装方便 ,使用可靠 .以数值计算方法分析了在常壁温条件下纵向涡对换热器的传热性能以及流动阻力的影响 .研究发现 ,纵向涡发生器的传热强化效果与翅前端距有很大的关系 ,并存在一个最佳的翅前端距 .     

两种组合涡发生器强化螺旋通道换热性能的比较

采用CFD模拟方法比较两种组合涡发生器强化大高宽比矩形水平螺旋通道的换热特性,并进一步分析B形翼的无量纲间距δ'、无量纲长度l"对螺旋通道内流体流动和换热的影响,利用综合因子G表征了两组合涡发生器的综合强化效果.结果表明:A形翼与B形翼均能改善柱后流体的流动,可分别在柱后等距横截面上形成二次流的四涡结构和六涡结构,并可在定距柱后形成纵向涡,加速尾迹区与主流流体的混合,实现了强化传热; B形翼与A形翼组合涡发生器相比,B形翼的综合强化效果更好;在所研究范围内,δ'增大,B形翼涡发生器的强化换热能力逐渐减小,综合性能变差; l'越大,内置B形翼组合涡发生器的螺旋通道的Nu数和f越大,但Nu数和f的增速随l'值的变大而变缓,当l'=1. 0时该螺旋流道的综合强化性能最优.     

螺旋弓形夹套中对翼涡发生器的换热性能分析及结构参数优化

为进行对翼涡发生器性能及结构参数优化研究,建立横截面圆心角度数为120°的螺旋弓形管夹套模型,通过数值模拟方法对分别安装有三角型对翼涡发生器(Delta contra wing vortex generator, DWP)、矩形对翼涡发生器(Rectangular contra wing vortex generator, RWP)和流线型对翼涡发生器(Streamlined contra wing vortex generator, SWP)的3种螺旋弓形夹套和未安装涡发生器的螺旋弓形夹套进行了对比研究。首先对安装有对翼涡发生器的夹套的强化换热机理进行分析,通过强化换热和阻力特性对比,利用综合评价因子评估了3种涡发生器的综合性能;其次对综合性能最好的三角型涡发生器的结构参数进行优化。结果表明：在圆心角度数为120°的螺旋弓形管夹套中,三角型涡发生器提高的换热效果最好,安装三角型和流线型涡发生器的螺旋弓形夹套具有更好的应用性;通过正交试验优化后的三角型对翼涡发生器最佳长度为32 mm、高度为8 mm、间距为40 mm,来流端展开角度为120°。研究结果可为实际工程中涡发生器的设计与选用...     

纵向涡发生器对圆形翅片管换热强化的影响

利用CFD计算软件FLUENT对带有纵向涡发生器的圆形翅片管的流体流动和传热过程进行数值模拟,并与普通圆形翅片管加以对比。结果表明,带有纵向涡发生器的翅片管换热效果明显优于普通翅片管。应用场协同原理解释认为,纵向涡发生器使流体速度和温度梯度之间夹角减小,改善了速度场和温度场的协同性,从而增强了换热效果。     

翼片诱导纵向涡强化层流对流传热数值模拟

利用三维数值模拟,分析了圆管内添加翼片后流体的流动结构和对流传热特性。模拟中,翼片与壁面呈45°倾斜放置,选取包含1个翼片的1／6通道进行研究。结果表明,翼片可在下游诱导产生2个旋转方向相反的纵向涡,形成对称的涡偶,涡偶外侧为背壁流,内侧为向壁流。纵向涡结构提高了流体在径向上的速度波动,在翼片下游靠近管壁处,最大速度可达到主流平均速度的80％,增强了对速度边界层的扰动。流场的改善使通道内的温度场分布更加均匀,与光滑通道相比,壁面附近的温度梯度可提高接近1个数量级。流体对壁面的冲刷作用使对流传热得到强化,相对于光滑通道,壁面局部Nu数可提高近50倍。纵向涡对通道内流体的强化传热作用随Re的增加而显著提高。     

涡轮叶片斜肋通道冷态流场特性的实验研究

为了探究涡轮叶片内部肋通道的流场特性与换热机理,设计不同角度的带肋通道实验模型. 采用流动显示实验与粒子图像测速实验,对通道的典型截面流场进行统计平均特性分析与非定常分析. 结果表明,当扰流肋与流向的夹角为60°~90°时,减小夹角能够降低扰流肋对流体的阻挡作用,增大扰流肋后方旋涡的纵向范围与强度. 减小夹角使第1个肋区间的回流强度先增大后减小,第2个肋区间流体的纵向冲击强度增大. 斜肋结构能够提高主流流体与肋间流体的雷诺应力峰值,增强肋间扰动强度,提升通道的换热特性. 减小夹角可以提升流场的速度振荡幅值与振荡频率,提高通道的换热效率. 减小夹角可以增大流体沿肋向流动的能量与能量波动频率,使得旋涡在向后脱落的过程中更易于与靶面进行能量交换.     

八边形翼攻角对翅片管空气侧流动与换热特性的影响

在传统翅片管上加装八边形翼涡发生器以强化传热。利用FLUENT软件对八边形翼翅片管模型进行了数值模拟,研究了不同雷诺数(Re)下八边形翼攻角(10°,20°,30°,40°)对翅片管空气侧流动与换热特性的影响。结果表明,八边形翼攻角对管后尾迹区换热影响显著;与平直翅片管相比,加装八边形翼的翅片管空气侧在不同攻角、Re下的平均努塞尔数(Nu)提高了13.1%~43.1%,相应的阻力系数(f)增加了6.9%~61.1%;通过对综合传热性能评价因子(PEC)的分析发现,在Re为862~3 735时,八边形翼攻角为20°的翅片管综合传热性能最佳。     

The numerical investigation of flow and heat transfer characteristics of flow past a slit-cylinder

The flow and heat transfer characteristics, including transition critical Reynolds number from two-dimensional to three-dimensional, the influence of slit-cylinder geometric parameter on Strouhal number, Nusselt number and forces acting on the slit-cylinder are numerically investigated. It’s found that transition critical Reynolds number from two-dimensional (flow wake deforms in two directions) to three-dimensional (flow wake deforms in three directions) increases with the augment of the slit width ratio in the range of present considered Reynolds number. The present results indicate that the three-dimensional vortex structures resulting from the deformation of the vortex shedding have significant effects on flow and heat transfer features such as Strouhal number, Nusselt number and forces acting on the cylinders with different ratios of slit width. It’s observed that the drag and lift coefficients reduce as the increase of slit width ratio, and vortex shedding is effectively suppressed by the slits. Moreover, the comprehensive heat transfer performance of the cylinder with the slits is significantly improved with the increase of the slit width ratio.     

错排射流冲击受限短通道内流场的实验研究

用五孔针对简化后的涡轮叶片错排射流冲击受限短通道流场进行了详细的测量,着重研究受限通道内各截面的流动规律,以及射流孔错排布置、出流孔、通道高度比和射流雷诺数对通道流动特性的影响。实验结果表明:通道高度比的变化会显著改变通道内的流场结构;在同一高度比下,射流雷诺数变化对流场结构的影响很小;出流孔的抽吸作用使附近气流加速并在通道内出流孔位置形成一局部低速区;受错排射流诱导及冲击靶面后壁面射流反卷通道内形成漩涡,使高速气流向通道侧壁甚至孔板面集中,该结果有助于深入了解错排射流受限通道内冲击冷却的内在机理。     

微圆柱阵微通道内沸腾换热及气泡运动特性研究

基于流体体积(VOF)模型对恒定热流密度下的微圆柱阵通道内的流动沸腾换热特性展开数值研究,并利用几何重构法捕捉气液两相界面迁移变化,研究了流道内流速的分布和微圆柱高度对气泡分布、沸腾换热性能及沸腾不稳定性的影响。结果表明:微圆柱的存在增加了气泡核化点密度;气泡运动增加了工质与加热壁面接触的可能性;微圆柱高度较低时,易发生气塞现象,加热面散热不均导致局部异常过热,换热性能下降;微圆柱阵通过阻碍气泡反向流动来降低沸腾不稳定性,但微圆柱高度过高会造成换热系统振荡,影响传热可靠性。