复合台阶绕流中旋涡与强化传热的关联性机理

研究了复合台阶绕流中典型旋涡和壁面传热之间的关联性机理。通过PIV实验对所用的数值模拟方法进行了验证。从瞬态和时均两方面分析了早期过渡流区域复合台阶绕流的传热特性。结果表明：从层流到早期过渡流壁面的时均传热随雷诺数呈现出非线性的增长趋势,同时台阶底面局部区域的流动传热出现了非相似性。为了理清上述传热特征的形成原因,对一个振动周期里典型旋涡的形态特征和演变规律进行了分析,发现旋涡再附着冲击角γ,近壁冲击流速Ω和旋涡流向长度Lv是影响传热的三个关键因素。一般情况下,壁面传热随着γ和Ω的增大而增大。     

过渡流下后向台阶壁面传热的时均特性研究

为研究过渡流范围(550?Re?1 500)后向台阶底面的传热特性,建立二维非稳态后向台阶流动的数值模型,数值模拟台阶下游底面的时均努塞尔(Num)数随Re数增大的发展变化情况,并结合流场中流动结构的发展变化规律对Num数分布特性进行分析。结果表明,随Re数增大,台阶下游流场中间区域产生旋转方向相反的旋涡对,主回流区下游底面和内部底面先后出现附壁旋涡;Num数沿着流动方向出现主峰和次峰,主回流区下游底面的附壁旋涡促进主峰下游的Num数快速增大,而主回流区内产生的附壁旋涡促进了主峰上游的Num数快速增大;主峰值、次峰值随着Re数增大而增大;两峰位置随着Re数增大先相向移动,然后同向移动。总之,在过渡流区域,提高Re数能够提高底面的Num数,增强底面换热效果,当Re数大于900时,主回流区内换热效果明显增强。     

过渡流下圆柱不同间距比对壁面传热特性影响

目前换热器正朝着结构紧凑、小型化方向发展,换热器的管束细化使管外流场向过渡流状态转变。为了提高换热器的换热效率,采用基于复合网格系统的计算方法,建立了内插串列双圆柱对壁面强化传热模型并进行实验验证,通过数值分析研究过渡流状态下圆柱距壁面的不同间距比(C/D)对壁面传热特性的影响,以期优化圆柱下游壁面的流动传热特性。研究结果表明:近壁插入圆柱可强化圆柱下游处的壁面传热;不同C/D值对壁面的传热强化效果有显著影响,壁面的传热强化效果随C/D的增大而减小,在加工工艺条件允许的情况下应尽量使被插圆柱靠近壁面,这为过渡流下换热器的研究提供了参考。     

过渡流下后台阶内插圆柱流动与传热特性研究

为研究过渡流下（Re=700）内插圆柱对后向台阶流动及传热特性的影响，并尝试找出强化台阶底面换热的最佳圆柱位置，建立二维数值计算模型。采用Fluent设定控制方程和边界条件进行数值模拟，并搭建后向台阶闭式循环水槽试验台，在相同工况下通过PIV进行可视化流动实验，验证数值计算的可靠性。结果表明：Re=700时，圆柱的位置会影响回流区进而影响台阶底面的传热能力；当内插圆柱的横向位置Xc/S=0.6、纵向位置为Yc/S=1.0时，底面传热效果最好，与无内插圆柱工况相比，传热效果提高约112%，而压降只增加45%。     

过渡流下异管径三圆柱绕流的可视化实验

为研究过渡流下不同雷诺数Re,不同横向中心距Ps的异管径三圆柱绕流的流动特性,采用二维粒子图像测速系统(PIV)对过渡流下异管径三圆柱绕流进行可视化实验研究.结果 表明,Re=120、150和200时,横向中心距的变化对上下游圆柱尾流有着明显影响.横向中心距的变化主要影响上下游圆柱的互相作用,从而引起尾流旋涡形态的变化.在研究的工况中,随着横向中心距的增大,上下游圆柱尾流的旋涡尺度逐渐减小,下游小圆柱前的时均速度越来越小,从而降低了有效雷诺数.     

低雷诺数下三维后向台阶流的流动与传热特性研究

为研究低雷诺数下后向台阶的流动与传热特性,建立三维稳态后向台阶的数值模型。采用Fluent设定控制方程和边界条件,模拟出三维后向台阶的流场和温度场。结果表明:当雷诺数Re一定时,台阶底面中心处的Nu由初始值快速到达峰值,再从峰值迅速减小,随着距离台阶越远,Nu值不断减小并趋于平缓;由于受到侧壁的影响,二维底面和三维底面中心处的努赛尔数峰值的差值会随着雷诺数的增加而增大。同时,三维模拟底面中心上的再附着长度会随着雷诺数的增加大于二维模拟的结果;三维台阶底面的再附着点的连线呈抛物线状,顶面的会出现对称的漩涡,侧壁的流动很不规则,三维台阶中心面处的流动具有二维特性;三维台阶底面的努赛尔数的最大值不是出现在中心线处,而是分布在两个侧壁的附近。     

缩放管内脉动流传热性能研究

分析研究了缩放管内脉动流的传热性能,利用Fluent数值模拟脉动振幅、脉动频率和扩缩比对缩放管传热和沿程阻力的影响。研究结果表明:缩放管内脉动流的传热性能要优于缩放管内流体稳态流动,与缩放管内流体流动为稳态时传热强化了11.4%左右;缩放管内脉动流强化传热同时也增大了沿程阻力;对综合评价指标数的分析得到脉动流条件下缩放管的传热性能显著增强。     

三维后向台阶不同宽高比对流动传热特性影响

建立三维非稳态数值模型对中低雷诺数下三维后向台阶不同宽高比的流动与传热特性进行了数值模拟研究。采用有限容积法对控制方程进行空间离散,模拟出三维后向台阶内流场及温度场。结果表明,数值模拟结果与先前的实验结果具有较好的一致性。随着宽高比AR不断地增大,最大时均努赛尔数值不断增大且之间的差值越小,同时最大时均努赛尔数在x方向位置不断向台阶下游移动,在z方向位置几乎保持不变。当雷诺数Re=1100,宽高比AR=8时,底面传热得到强化;宽高比AR=4时,底面传热效果较差。     

中低雷诺数下近壁圆柱绕流对壁面传热的影响

对近壁圆柱绕流强化壁面传热展开研究,基于有限容积法通过FORTRAN编程来求解控制方程,分析了不同雷诺数(100≤Re≤1200)下的近壁圆柱绕流对壁面传热的作用。研究结果表明:(1)雷诺数的变化对壁面传热强化有着重要的影响,壁面的平均努塞尔数(Num)随雷诺数的增大而增大;(2)在雷诺数较低时,Num在近壁圆柱附近处出现一次峰值,随着雷诺数的增大Num在第一次峰值后又出现第二次峰值,且两次峰值的大小都随雷诺数的增大而增大;(3)随着雷诺数增大,Num的第一次峰值基本出现在同一位置,即近壁圆柱处;Num的第二次峰值由于旋涡运动的影响,随雷诺数的增大略向上游移动。     

ZigZag微通道内S-CO_2流动传热性能分析

以超临界二氧化碳(S-CO_2)为工质,对其在Zig Zag半圆形横截面微通道内湍流状态下流动传热性能进行数值计算,分析了Zig Zag角度θ、单位周期流道轴向长度P对传热与流动阻力的影响。结果表明,流体在Zig Zag微通道内流动,在流道拐弯处有旋涡产生,导致流通面积减少,流体主流速度急剧增大并冲刷换热壁面,使边界层减薄或破坏,并且该位置附近湍动能急剧增大,增强了流体的扰动与混合,促进了能量传递,强化了换热;随着Zig Zag角度θ增大,微通道内传热性能提高而流动阻力急剧增大;随着单位周期流道轴向长度P增大,传热性能与流动阻力均下降;在文中所述计算条件下,θ=15°,P=15 mm时Zig Zag微通道内S-CO_2耦合传热综合传热性能最优。     

过渡流下近壁圆柱流动传热特性的优化研究

针对过渡流状态下近壁插入圆柱的模型进行数值模拟与分析,通过基于复合网格系统的计算方法,分别研究过渡流状态下单圆柱与双圆柱对壁面流动传热特性的影响,以期优化圆柱下游壁面的流动传热特性。研究结果表明:1)一方面,近壁插入圆柱可使圆柱和壁面间流体受迫加速,此处壁面换热得以强化;另一方面,近壁插入圆柱可使流场产生波动,形成正负交替的漩涡,其对壁面的洗刷作用亦会使被洗刷处的壁面传热强化;2)近壁插入双圆柱与近壁插入单圆柱相比,可有效提高圆柱下游的换热系数,明显优化壁面换热效果。     

近壁串列双圆柱绕流自激振荡及强化传热研究

近壁串列双圆柱绕流是研究强化传热的典型模型之一,在动力工程领域有着广泛的应用。针对该模型中特有的流动传热特性进行了研究,重点分析了局部区域的强化传热机理。结果表明：壁面传热在两圆柱附近的区域出现不同程度的增强,在Re=400时第二个圆柱影响区域3≤x/D≤5的强化效果最好。进一步分析强化传热的形成原因,-1≤x/D≤1区域的强化传热主要由流动加速效应引起;3≤x/D≤5区域的强化传热主要由第一个圆柱尾流的低频自激振荡效应与流动加速效应的共同作用引起。深入研究这一共同作用,得出第二个圆柱附近的流动不稳定性与传热不稳定性的相互影响是局部强化传热的根本原因。     

过渡流下串列双圆柱周期传热机理研究

主要研究过渡流状态下串列双圆柱的传热强化机理。通过基于复合网格的专用程序计算在雷诺数为200时不同间距下的工况,并分析其传热强化机理。计算结果表明:(1)上游圆柱压差阻力和黏性耗散都随着两圆柱间距增加而增强,当压差阻力的作用与黏性耗散的作用相平衡的时候,下游圆柱壁面的达到最大。(2)下圆柱前缘处传热强化的因素包括上游圆柱尾流对下游圆柱壁面的速度边界层的影响以及所携带的冷热流体对下游圆柱的温度边界层的影响。由于冷热流体流动的周期不均匀性与边界层分离点的周期转移,造成了ΔNu和ΔCf变化规律的不一致性。(3)NVP、PVP加速或抑制下游圆柱边界层的发展及分离,上游圆柱尾流所引导的冷热流体对下游圆柱壁面有周期性的洗刷作用。这是下游圆柱壁面传热强化两个重要因素。上述传热强化机理的发现,对开发设计新型小管径换热器起指导作用。     

煤液化调节阀流场演变特性的测试与分析

利用粒子图像测速技术（particle image velocimetry,简称PIV）和涡量分析原理对调节阀不同工况下的流场信息进行测量,研究了进口压力对液压调节阀速度场、涡量场及湍动能的影响。结果表明：调节阀节流口处有对冲射流,其在阀芯头部下游汇合后形成向下游的整体喷射;节流口下游的油液轴向速度先减小后增大,在喉部末尾处附近趋于稳定;在靠近壁面区域油液径向流动速度都较低,在流道中心区域流动速度较高;阀芯头部和下游流道存在由速度梯度引起的介质回流旋涡,高涡量区域主要分布在阀芯头部和壁面处,强的正涡与负涡呈2条斜形宽带分布;阀芯头部为高涡量区且具有贴壁特征,壁面附近高涡量区向下游延展;随着调节阀进口压力的增大,阀口流量、流场高速分布区域、旋涡的强度和尺度以及湍动能均随之增大。     

不同雷诺数下的单一圆柱绕流流场分析

为了分析均匀流体流经圆柱发生体后产生的绕流流场特性,采用数值计算的方法,对不同雷诺数下的均匀来流流经圆柱体的流动过程进行数值计算,研究分析不同工况下流场的流动形态,得到了不同雷诺数流动状态下的流场参数变化规律谱及流经圆柱发生体时的流线谱,并对同一雷诺数下不同时刻的流场形态及静压力变化情况进行了分析。结果表明,流体流经圆柱发生体时的阻滞作用随雷诺数的变化而产生变化,流体惯性力随雷诺数的增大对流场的平衡状态产生的影响增大,流经圆柱发生体后的旋涡由旋向相反的对称分布逐渐发生扰动,且旋涡尺度逐渐增大;同时,受圆柱发生体阻滞作用及流体黏性的影响,在圆柱发生体迎流面受到的力作用最大,圆柱发生体上下对称分布位置的力作用基本一致,随着流动距离的增大,流场的静压力逐渐变小,流场变化趋于平缓。     

基于流固耦合作用的柔性体流噪声降噪机理研究

舵体与流体相互作用产生的流噪声是水动力噪声的主要来源之一,这种噪声以宽频噪声为主,一般的降噪措施难以对其进行有效控制,而柔性舵体提供了解决的技术方案。以柔性NACA0018翼型为对象,基于流场大涡模拟、考虑任意运动固体边界的声学FW-H方程、并进一步利用弱耦合流固耦合算法考虑流体与柔性体的相互作用,对柔性翼型绕流非定常流场及流致噪声进行仿真,系统地分析不同攻角下柔性体的变形对流动、声源特性及流噪声辐射特性的影响。仿真结果表明:柔性体的变形延缓了壁面的流动分离,减小了湍流区,并抑制了壁面的压力脉动;降低了转捩区和湍流区的壁面声源强度,层流区的声源强度在大攻角下减小,而在小攻角下增大;随着攻角的变化,远场辐射噪声总声压级在翼型弦长方向和法线方向上呈现不同的变化规律,噪声频谱特性也表现出不同的规律。     

缩放管内脉动流动对流换热的数值模拟研究

通过数值模拟计算,研究在不同脉动频率、脉动振幅下的管内流体脉动对缩放管的传热和阻力的影响。研究结果表明:管内流体脉动能够强化缩放管的传热效果,相比稳态时,传热被强化了约为16%;管内流体脉动在一定条件下,也会增大缩放管的沿程阻力。     

双电层效应对压力驱动微流体流动及传热的影响

在非对称壁面zeta电势及热通量边界条件下,研究双电层效应对平行微流道内压力驱动微流体流动及传热特性的影响.建立微流道内压力驱动流体的数学模型,双电层电势分布、流体流动及传热特性分别由Poisson-Boltzmann方程,修正的N-S方程,能量方程进行描述,对三个方程进行求解并得到微流道内电势,速度及温度分布的解析解.详细讨论动电参数、壁面zeta电势、上下壁面zeta电势比及热通量比等因素对电势场、流场、温度场及微流体传热性能的影响.结果表明,壁面zeta电势会影响微流道内电势分布,流动电势的改变会影响速度分布,进而影响微流道的温度分布与传热性能.在微尺度下,双电层效应对压力驱动流的影响很明显,与传统的无双电层效应的泊肃叶流相比,其流动及传热特性均有显著差异.     

圆鼓泡管内湍流脉动强化传热数值模拟

通过数值模拟,研究了圆鼓泡管内脉动流动速度的幅值、频率对传热和阻力性能的影响。结果表明:脉动流动对热管传热性能起到强化作用,相比无脉动情况下,传热被强化最高可达9.45%;在增强传热的同时,沿程阻力增加;通过综合性能评价准则数可知,圆鼓泡管和管内流体脉动流动起到复合强化传热效果。     

平板微通道流动传热的粗糙元间距效应

微细尺度传热问题业已成为国际传热界的研究点,而壁面粗糙度对微细通道流动和传热特性有着重要影响。以粗糙平行平板微通道为研究对象,用三角形粗糙元模拟固体表面的粗糙度,通过采用CFD(computational fluid dynamics)流体固体共轭传热技术数值研究了粗糙元间距对平行平板微通道流动和传热特性的影响规律,同时研究了其间距对微通道流动的转捩雷诺数的影响规律;计算结果表明:随着三角形粗糙元间距的增大,粗糙平板微通道的阻力性能逐渐下降,层流向湍流转捩的雷诺数呈逐渐增大趋势,同时粗糙平板微通道的传热性能呈逐渐下降趋势。