磁鈍體尾跡演化及其對(duì)鈍體繞流控制和傳熱的作用.pdf

1、導(dǎo)電流體流經(jīng)外加非均勻局部磁場(chǎng)時(shí)會(huì)在流體內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)與流動(dòng)方向相反的洛侖茲力。這種非接觸式力被廣泛應(yīng)用于冶金(如電磁攪拌)和流動(dòng)測(cè)量(如洛侖茲力速度儀)等。本文以非均勻局部磁場(chǎng)下導(dǎo)電流體流動(dòng)和傳熱為研究對(duì)象，主要采用數(shù)值模擬和與已有實(shí)驗(yàn)對(duì)比相結(jié)合的方式對(duì)磁鈍體渦流形成、尾跡時(shí)空演化機(jī)理及其對(duì)流動(dòng)和傳熱的影響規(guī)律進(jìn)行了研究；以磁鈍體作擾動(dòng)體，研究其對(duì)流體繞流下游串列非流線型鈍體時(shí)的流動(dòng)和換熱特征的影響機(jī)制。主要研究?jī)?nèi)容及獲得的結(jié)果如下：<

2、br>　　首先，數(shù)值模擬研究了三維矩形通道內(nèi)導(dǎo)電流體流經(jīng)非均勻局部磁場(chǎng)時(shí)的流動(dòng)特點(diǎn)及其對(duì)通道內(nèi)對(duì)流換熱的影響。結(jié)果顯示，在合適的磁約束因子(κ)、相互作用參數(shù)(N)和雷諾數(shù)(Re)時(shí)，導(dǎo)電流體流經(jīng)非均勻局部磁場(chǎng)可形成穩(wěn)定的雙渦結(jié)構(gòu)(內(nèi)部磁渦，如N=9，Re=100和κ=0.4)或穩(wěn)定的六渦結(jié)構(gòu)(內(nèi)部磁渦、連接渦和附著渦，如 N=9，Re=400和κ=0.4)，即出現(xiàn)與固體鈍體繞流中類似的現(xiàn)象—在流體局部區(qū)域內(nèi)形成磁鈍體(Magnetic

3、 obstacle)。當(dāng)相互作用參數(shù)和雷諾數(shù)為定值時(shí)，隨磁約束因子的增加，穩(wěn)定渦流結(jié)構(gòu)將會(huì)消失而僅僅出現(xiàn)流動(dòng)分叉現(xiàn)象。隨雷諾數(shù)的增大(如Re=500)，磁鈍體穩(wěn)定六渦結(jié)構(gòu)中的附著渦會(huì)交替地脫落而形成類似于固體鈍體尾跡中的卡門渦街。附著渦脫落頻率隨通道阻塞率(β)的增大而增大，且連接渦對(duì)在通道阻塞率較大(如β＞0.2)時(shí)不能穩(wěn)定地共存。當(dāng)通道展向?qū)挾?Ly)足夠大(如β≤0.2)時(shí)，附著渦脫落頻率幾乎不受磁約束因子、相互作用參數(shù)和雷諾數(shù)的

4、影響，且連接渦對(duì)能穩(wěn)定地存在。磁鈍體尾跡的不穩(wěn)定性比穩(wěn)定渦流結(jié)構(gòu)可以更顯著地促進(jìn)通道中的對(duì)流換熱；且通道中的對(duì)流換熱能力與磁約束因子成正比，與阻塞率成反比。(國(guó)際著名傳熱傳質(zhì)期刊ASME Journal of Heat Transfer和International Communications in Heat and Mass Transfer的審稿專家評(píng)論此部分內(nèi)容為This kind of flow has been analyze

5、d in the past but still is far from being completely understooD.In particular，to the best of my knowledge，the heat transfer problem of this flow has not been analyzed before，so that results of this paper are valuable.)

6、r>　　其次，研究了來(lái)流速度、磁鈍體間隙率(ξ)和外磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)單排磁鈍體陣列尾跡演化、相鄰鈍體尾跡間相互作用機(jī)制及其對(duì)通道中對(duì)流換熱的影響。研究發(fā)現(xiàn)，隨來(lái)流速度的增加，磁鈍體陣列渦流結(jié)構(gòu)形成與演化規(guī)律和孤立磁鈍體的類似。磁鈍體陣列相鄰尾跡渦流間的相互作用隨來(lái)流速度的減小和磁鈍體間隙率的增大而減弱。當(dāng)尾跡渦流間相互作用較弱時(shí)，磁鈍體陣列尾跡渦脫落規(guī)律與孤立磁鈍體的相似。當(dāng)慣性力較小時(shí)(如Re=600)，隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，磁鈍體陣列尾跡會(huì)從

7、不穩(wěn)定回歸穩(wěn)定；當(dāng)慣性力較強(qiáng)時(shí)(如Re=900)，通道芯部的兩個(gè)磁鈍體尾跡渦流會(huì)向臨近的尾跡擴(kuò)展而擾動(dòng)整個(gè)尾跡區(qū)，從而使得附著渦無(wú)明顯的脫落主頻。磁鈍體陣列較孤立磁鈍體對(duì)換熱的促進(jìn)作用更顯著。在不穩(wěn)定流動(dòng)中，換熱增量隨來(lái)流速度和磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而增大，隨磁鈍體間隙率的減小而增大；當(dāng)來(lái)流速度和磁場(chǎng)強(qiáng)度為定值時(shí)，綜合換熱性能在ξ=2時(shí)有最佳值。(國(guó)際著名傳熱傳質(zhì)期刊 International Communications in Heat a

8、nd Mass Transfer的審稿專家評(píng)價(jià)此部分內(nèi)容為The authors present an interesting study of flow and heat transfer in a duct with an array of magnetic obstacles(side-by-side) for various separations among them. The paper provides useful in

9、formation related to the dynamic and thermal behavior of the flow.)
　　第三，研究了磁鈍體作為上游擾動(dòng)體時(shí)對(duì)導(dǎo)電流體繞流下游圓柱/方柱的流動(dòng)和換熱的作用，并對(duì)比分析了磁鈍體對(duì)圓柱和方柱的作用效果。結(jié)果表明，磁鈍體和圓柱/方柱間的區(qū)域內(nèi)存在兩種明顯的流動(dòng)模式：空穴模式和尾流撞擊模式。鈍體間距較小時(shí)為空穴模式，間距較大時(shí)為尾流撞擊模式。兩種模式下磁鈍體都可以減小下游圓