貼壁肋片流場結構及其對換熱影響的數值模擬研究.pdf

1、肋片廣泛應用于換熱器、工業(yè)燃燒器及透平機械等工業(yè)裝備，而肋片引起的分離-附著流動則是流體力學中一個基礎問題。關于前、后臺階分離-附著流動的研究較為豐富，而貼壁肋片繞流更復雜，對其中復雜的物理過程了解還不全面。本文采用大渦模擬方法對貼壁肋片的流動和換熱進行數值研究，重點關注流場結構及其演化、非穩(wěn)定特性、換熱機制等，希望對肋片分離-附著流動有一個較為深入的理解和認識。
　　本文的主要工作如下:
　　首先，對低雷諾數（Reh=U0

2、h/v=1000）、層流分離時肋片流場不穩(wěn)定性進行數值研究。利用頻譜分析方法發(fā)現在剪切層中存在兩個明顯的頻率，分別為Sth=0.36和0.18，其中前者對應剪切層的K-H不穩(wěn)定性;通過壓力脈動和Q準則等值面表征的流場結構，發(fā)現肋片下游渦結構的脫落與配對現象，即Sth=0.18認為與剪切層中渦結構配對過程相關。
　　其次，對較高雷諾數下(Reh=3000)湍流分離的貼壁肋片流場內的流場結構及特征不穩(wěn)定性進行系統研究。采用條件平均方法

3、，發(fā)現在回流區(qū)內存在周期性渦結構脫落現象，并引起剪切層的擺動和回流區(qū)的伸縮。通過頻譜分析，發(fā)現在湍流分離流場中除剪切層內K-H不穩(wěn)定性(Sth≈0.4)外，在回流區(qū)內還存在兩個低頻頻率，分別為Sth≈0.06和Sth≈0.09。通過POD方法發(fā)現存在空間模態(tài)配對交替出現的現象，這反映了大尺度結構的脫落過程;同時，在靠近壁面附近以流向結構為主，而在剪切層中以展向渦結構為主。這說明流場中存在兩種渦結構機制，即Sth≈0.09對應展向渦結構引

4、起的剪切層擺動頻率，而Sth≈0.06則對應流向渦結構引起的回流區(qū)前后伸縮不穩(wěn)定性。
　　再者，通過引入周期性零質量射流對流場進行主動控制，研究了五種不同擾動頻率對貼壁肋片流場結構演化及壁面換熱的影響。研究發(fā)現，當擾動頻率與剪切層中渦結構配對頻率相當時（即Sth=0.2），能加速分離剪切層的附著。此時平均回流區(qū)大小相比無擾動情況減小了約22.5％;而當擾動頻率為Sth=0.05和Sth=0.2時，對換熱的增強效果最佳，最大壁面努塞

5、爾數相比無擾動情況增加了約20％。通過對瞬時流場結構和頻譜分析，發(fā)現當激勵頻率與剪切層不穩(wěn)定性頻率相當時(Sth=0.2和Sth=0.4)，能誘導剪切層內渦結構的配對、融合，但是該激勵頻率對流場的影響局限在肋片附近的剪切層內;而當激勵頻率與回流區(qū)內不穩(wěn)定性相當時（Sth=0.05），對流場的影響范圍則較大，甚至在附著點下游仍能發(fā)現明顯的峰值，說明該頻率能激勵出回流區(qū)下游大尺度渦結構。此外，通過對比斯坦頓數(St)和摩擦系數（Cf)，發(fā)現

6、在肋后回流區(qū)內存在流動與傳熱的不相似性，其主要成因與流場中大尺度展向渦結構順時針旋轉相關。該大尺度結構通過將中心冷流體帶至壁面附近，而將壁面處的熱流體夾帶至中心區(qū)域從而增強了換熱;與此同時，減小了壁面處的摩擦系數。
　　最后，本文對高雷諾數下(Re=UbDh/v=20000)周期性帶肋通道的流場和強化換熱情況進行了研究，并分析了流場結構和湍流特性對換熱機制的影響。通過對比實體肋片和不同開縫肋片的流場和溫度場，發(fā)現常規(guī)實體肋和中間開