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。     

小雷诺数下圆柱绕流数值模拟

应用计算流体力学软件Fluent对小雷诺数(20≤Re≤300)下的圆柱绕流进行仿真计算,采用有限体积法、层流模型求解不可压缩的N-S方程,计算了二维圆柱绕流的水动力学特性。分析尾涡的形态随着雷诺数不断增加的变化情况,并研究升阻力因素、St数及壁面分离角等参数随雷诺数的变化。     

高雷诺数下有限长圆柱绕流阻力特性研究

针对不同长径比的有限长圆柱模型,采用大涡模拟及雷诺平均的方法,对高雷诺数下有限长圆柱绕流阻力特性进行数值模拟和分析,得到了圆柱阻力系数随长径比和雷诺数的变化规律,讨论端面效应对绕流阻力系数的影响。结果表明：在亚临界区内,相同雷诺数下阻力系数随长径比的增大而增大,呈线性变化规律,L/D的对阻力系数的影响明显大于Re对阻力系数的影响;在阻力危机区内,相同雷诺数下阻力系数随长径比的增大而增大,呈二次函数的变化规律,但各工况达到阻力系数“转折点”对应的雷诺数各不相同,基本呈现随雷诺数的增大向前推移的趋势,Re对阻力系数的影响明显大于L/D对阻力系数的影响;在阻力回升区,阻力系数回升的“转折点”随着雷诺数的逐渐增大而向后推移。在各分区内,端面效应对阻力系数的影响随雷诺数增大而更加明显,在高度方向上的最大影响区域约占圆柱总高度的16%。研究结果对有限长圆柱绕流特性的研究及应用具有重要意义和价值。     

中雷诺数圆柱、方柱绕流PIV试验对比研究

介绍了粒子图像测速法的基本原理,设计开发了符合试验要求的开式低速循环水槽,建立了圆柱、方柱绕流数据试验平台,采用粒子图像测速法(PIV),获得圆柱、方柱绕流图像。采用INSIGHT 4G软件对试验过程进行全面调控,通过对图像的分析比对,揭示试验条件下中雷诺数圆柱、方柱绕流的流场特性。与已有的模拟及试验结果进行对比,验证了粒子图像测速法及试验台的准确性。并选取特定雷诺数进行(圆柱)周期性研究,分析圆柱,方柱绕流特性的区别与联系。     

斜射流对壁面传热特性影响的仿真分析

冲击射流是一种传热效率极高的方式,采用数值分析方法模拟了单束射流不同倾角条件下的冲击冷却过程,定量讨论了射流流场对壁面传热特性的影响,发现射流流速与滞止区和壁面射流区的传热性能具有强相关性.为此设计了组合式射流冲击冷却模型,仿真验证发现,在多喷嘴协同作用下,组合式射流继承了单束直射流和斜射流的优点,在保证滞止区传热效率...     

亚临界雷诺数下凹坑圆柱绕流数值模拟分析及减阻性能研究

为研究非光滑圆柱绕流减阻性能,采用SST k-ω湍流模型对亚临界雷诺数R_e=40 000下凹坑圆柱绕流进行数值模拟及减阻性能研究。对凹坑深度、内部形状、分布形式进行了结构参数敏感性分析,研究各参数对凹坑圆柱绕流减阻性能的影响规律。结果表明:凹坑圆柱具有较好的绕流减阻效果;阻力系数、升力系数均随凹坑深度增加呈先减小后增大的变化趋势,且在h=0.015D时,凹坑圆柱绕流具有最佳减阻效果;圆柱形凹坑圆柱平均阻力系数为0.923,球面形凹坑圆柱平均阻力系数为0.94;菱形分布凹坑织构的圆柱绕流阻力系数平均值为0.923,矩形情况为0.973。     

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...     

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。     

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。     

高雷诺数下海底悬跨管道绕流数值模拟

海底悬跨管道所处工作环境恶劣,失效形式多样,涡激振动是导致其疲劳破坏的重要原因。为研究不同悬跨间隙比和海底流速对悬跨管道涡激振动强度的影响规律,利用Fluent软件进行了实管径高雷诺数下的二维绕流数值模拟,得到涡旋脱落形态,升力和阻力系数变化曲线。结果表明:海底悬跨管道的升力系数幅值和阻力系数均值随间隙比增大而减小,最后趋于稳定。在小间隙比情况下会出现因管道底部流速增大引起管道两侧升力极值不相等的现象;随海底流速的增加,升力系数幅值和阻力系数均值呈先增后减的趋势,规律与常规圆柱绕流一致;升力系数频率随速度增加而增大,受间隙比的影响较小。工程实际中,海底管道的铺设要尽量避免海流流速高和悬跨间距大的水域,对危险悬跨区段应设置涡激抑制装置。     

低雷诺数下等边布置三方柱绕流的数值研究

采用有限体积法对雷诺数Re=100的等边布置三方柱的二维绕流问题进行数值模拟。考虑左"品"字形(布置1)和右"品"字形(布置2)两种柱体几何布置,间距比在1.5~5.0变化,着重分析间距比对流场特性、柱体阻力系数、升力系数及斯特劳哈尔数的影响。研究结果表明,对于布置1,间距比对流场特性与结构具有非常重要影响。当间距比g=1.5时,出现了周期性的双稳态间隙偏流;当g=2.0~3.0时,偏流效应随间距比增加逐渐变弱,下游柱B、C后的尾流流谱不对称;当g=3.5时,间隙流的偏流现象基本消失,柱B、C后的漩涡同步脱落,流场呈现同步对称结构;当g4.0时,柱B、C后的漩涡呈反相位脱落,流场关于来流方向对称。对于布置2,流场特性与结构受间距比影响较小,在所考虑的间距比范围内,未出现偏流现象。相对而言,在较小间距比的情况下,布置2比布置1具有更好的流动稳定性。各柱体的动力特性与流场结构及特性密切相关,各柱体的升、阻力及柱后漩涡的脱落特性与单方柱绕流情形具有很大不同。此外,三方柱绕流的流场特性与柱体动力特性也与三圆柱绕流的情形存在一些差异。     

不同间距比下串列双圆柱绕流的可视化实验

为了研究串列双圆柱绕流规律,针对本实验设计了开式循环水槽,将染色法及粒子图像测速(PIV)系统相结合,对不同雷诺数下的单圆柱、不同间距比的串列双圆柱绕流进行定量及定性的可视化实验。首先验证实验装置的稳定性,然后对不同雷诺数下的单圆柱绕流进行可视化实验,将实验数据与文献数据对比,验证实验装置的正确性。Re=200时,得出以下实验结论:当中心距Ps≤3D时,上游圆柱的尾流呈现出稳态,而下游圆柱的尾流是非稳态;增大间距,上游圆柱的尾流逐渐由稳态变成非稳态,并且这种非稳态将会加强下游圆柱尾流的非稳态,随后下游圆柱后端出现有规则的涡脱现象。     

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。     

发热球体绕流的强迫对流传热试验研究

应用激光全息干涉仪并配合红外扫描热象仪，测量了空气绕流球形发热体的温度场，以研究模拟固体颗粒燃烧发热条件下的传热特性及其影响因素。通过试验，获得了球体局部换热数Ｎｕ沿球极θ角的分布，球体平均换热数，及Ｎｕ和受和Ｔ＿ｓ／Ｔ＿０影响的经验关系式。     

串列三圆柱绕流的时均压力分布与气动力

运用刚性模型测压风洞试验方法对单圆柱、不同间距串列双圆柱和串列三圆柱绕流的时均压力分布与气动力进行了研究。首先,进行单圆柱模型和不同间距串列双圆柱模型的绕流试验,试验的雷诺数为3.4×104;其次,通过与单圆柱进行对比,讨论了气动干扰对串列三圆柱时均压力分布与时均阻力的影响规律;最后,通过与串列双圆柱进行对比,讨论了圆柱的数量对干扰规律的影响。试验结果发现,串列三圆柱的绕流存在两个完全不同的流态,其切换的临界间距(L/D)cr在3.5～4.0之间,两个流态下的时均压力分布与时均阻力存在明显的差异。本研究可对实际工程中串列圆柱结构的风荷载取值提供参考。     

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...     

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。