湍流邊界層控制對(duì)流動(dòng)及換熱影響研究.pdf

1、湍流擬序結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)改變了湍流是一種完全隨機(jī)過程的傳統(tǒng)觀點(diǎn)，它展示了湍流表現(xiàn)的無序運(yùn)動(dòng)中包含的某種內(nèi)在有序性。近壁湍流的擬序結(jié)構(gòu)對(duì)邊界層阻力的形成以及流體的傳熱傳質(zhì)有著非常重要的影響，因此，很好地理解近壁湍流的擬序結(jié)構(gòu)對(duì)人們有效控制和利用湍流邊界層流動(dòng)有著重要的實(shí)際意義。針對(duì)湍流的流動(dòng)阻力和換熱情況，本文分別采用主動(dòng)和被動(dòng)控制方法對(duì)湍流邊界層進(jìn)行了控制，研究了其對(duì)邊界層流動(dòng)和換熱特性的影響。
　　首先，對(duì)平面槽道和波紋面槽道進(jìn)行了數(shù)

2、值模擬。通過在初始流場(chǎng)中添加基于湍流擬序結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)來獲得充分發(fā)展湍流流場(chǎng)。模擬結(jié)果的流場(chǎng)以流向渦結(jié)構(gòu)為主，并且很好地捕捉到了典型的發(fā)卡渦結(jié)構(gòu)。對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均，將統(tǒng)計(jì)結(jié)果與直接數(shù)值模擬結(jié)果以及經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果吻合很好。
　　其次，采用被動(dòng)控制方法對(duì)湍流邊界層流動(dòng)進(jìn)行控制。控制通過圓孔表面、凹槽表面、基于波紋面凹槽表面、流向展向波紋表面來實(shí)現(xiàn)。在圓孔表面模型中，圓孔底層流體吸收部分來自邊界層外層動(dòng)量沖擊，并使得

3、外層動(dòng)量在內(nèi)層中得到緩沖，在動(dòng)量傳遞過程中抑制了擬序結(jié)構(gòu)中的上揚(yáng)及猝發(fā)，使得流動(dòng)阻力減小。凹槽表面使得流體邊界層分離并破碎的同時(shí)產(chǎn)生了大量的誘導(dǎo)渦，以上揚(yáng)和下掃為主的渦結(jié)構(gòu)改變了凹槽面附近的流動(dòng)結(jié)構(gòu)?；谡也y面的凹槽結(jié)構(gòu)使得流體在波谷中產(chǎn)生回流的同時(shí)伴隨大量流向渦的生成，回流及新生成的流向渦改變了壁面附近的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。流向展向波紋表面由于展向波紋的存在使得流向渦匯聚于展向的波谷中，并使得渦遠(yuǎn)離壁面。與傳統(tǒng)的波紋面相比，展向波紋的存在使

4、得流動(dòng)阻力減小，綜合換熱效果提高。
　　最后，對(duì)湍流邊界層內(nèi)流動(dòng)的法向和展向脈動(dòng)速度進(jìn)行主動(dòng)控制研究。法向脈動(dòng)控制抑制了對(duì)雷諾應(yīng)力貢獻(xiàn)較大的上揚(yáng)及猝發(fā)運(yùn)動(dòng)，使得流動(dòng)阻力降低。展向脈動(dòng)速度的控制抑制了快、慢速條紋之間的相互影響，抑制條帶失穩(wěn)的同時(shí)阻止流向渦的生成，達(dá)到了減阻的目的。
　　湍流邊界層擬序結(jié)構(gòu)的基本要素是條帶結(jié)構(gòu)和渦結(jié)構(gòu)，上揚(yáng)、下掃及猝發(fā)是組成擬序結(jié)構(gòu)的主要運(yùn)動(dòng)形式。本文研究表明：對(duì)擬序結(jié)構(gòu)中的任一事件進(jìn)行控制可以