热输入对液体横掠圆柱体旋涡脱落特性的影响

摘要

流体绕流圆柱体后的尾迹特性是许多研究领域的重要课题，而液体绕流热柱体时的尾迹特性是研究甚少的一个领域，直到上世纪九十年代，大多数的液体绕流研究都没有考虑柱体壁面的热效应问题。 本课题采用实验方法对液体绕流热柱体时的旋涡脱落特性进行了研究，实验工况如下：来流方向为水平绕流、垂直向上绕流、垂直向下绕流三种工况：圆柱体加热电压为0～220V；雷诺数为2.58×104；加热圆柱体旋转角度分别为0、90、180、270度。 本课题基于虚拟仪器技术—LabVIEW图形编程平台，开发了一套简便实用的计算机辅助数据采集系统，对各工况下圆柱体的壁面温度及旋涡脱落强度参数进行了实验数据采集。 对实验所得数据进行分析后发现，对绕流圆柱体进行加热时，加热强度的不均匀，造成了壁面温度分布不均，温度差异随着加热电压增加而变大。 水平绕流工况下，对圆柱体进行加热时，加热柱体表面温度分布情况不同会给旋涡脱落强度带来很大的影响：a)当加热柱体两侧温度高于前后驻点温度，且两侧温度也有较大差异时，加热促进了旋涡脱落，加热电压为60V时，旋涡脱落峰值增幅达53％；存在一个临界加热电压140V，当加热电压高于临界加热电压时，旋涡频谱图由单峰分裂为双峰；b)当柱体前后驻点温度高于两侧温度时，存在一个临界加热电压180V，低于临界电压时，加热抑制了旋涡脱落，旋涡脱落峰值降幅达55％；反之，加热促进了旋涡脱落，旋涡脱落峰值增幅为13％。 来流方向不同，加热对旋涡脱落的影响也不同，流体水平绕流柱体时，加热对旋涡脱落强度影响最大，旋涡脱落强度变化率达到60％；流体垂直向上及垂直向下绕流柱体时，加热对旋涡脱落强度影响较小，强度变化率约在10％以内。 通过本文研究得知，加热确实会对旋涡脱落特性产生影响。加热到底是通过怎样的物理机制来影响流场的粘性和密度变化，加热会对尾迹近区及尾迹远区的旋涡脱落稳定性产生怎样的影响，这些问题尚待进一步的研究。数值模拟和可视化方法将会是未来研究的一个新方向。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题研究的背景和意义

1.2国内外的研究进展及成果

1.2.1流体水平横掠加热圆柱体

1.2.2流体垂直向上横掠加热圆柱体

1.2.3流体垂直纵掠加热圆柱体

1.2.4其它研究成果

1.3本课题主要研究内容

第2章液体绕流热柱体时旋涡脱落的机理分析

2.1单相液体在柱体后的旋涡形成和脱落机理

2.2旋涡的脱落形式

2.3涡街的稳定条件

2.4热对柱体表面液体流动的影响

2.5液体绕流热柱体的影响因素

2.5.1加热强度的影响

2.5.2绕流柱体尺度的影响

2.5.3液体流态的影响

2.5.4共振的影响

第3章实验系统及测量方法

3.1实验工况及实验装置

3.1.1实验工况

3.1.2实验系统

3.1.3实验装置的选择和安装

3.2测量和控制方法

3.2.1旋涡脱落的测量装置

3.2.2绕流柱体表面温度测量

3.2.3其他测量和控制装置

3.3实验过程

3.3.1实验前材料准备

3.3.2实验前调试

3.3.3实验数据采集

第4章数据采集系统及数据分析方法

4.1虚拟仪器介绍

4.1.1虚拟仪器的组成和分类

4.1.2虚拟仪器的功能及特点

4.2 LabVIEW开发平台简介

4.2.1 LabVIEW概述

4.2.2 LabVIEW操作介绍

4.2.3 LABVIEW编程的特点

4.3热柱体旋涡脱落特性研究实验数据采集系统硬件介绍

4.4数据采集系统的软件实现

4.4.1本课题的DAQ系统主要参数设置

4.4.2本课题的数据采集及分析软件

4.5本课题数据分析方法

4.5.1离散傅里叶变换(DFT)

4.5.2离散傅里叶变换的性质

4.5.3傅里叶变换后频谱图的物理意义

4.6结束语

第5章实验结果与分析

5.1空烧工况柱体壁面温度分布情况

5.2水平绕流工况空烧加热对旋涡脱落特性的影响

5.2.1圆柱体旋转0度工况

5.2.2圆柱体旋转90度工况

5.2.3圆柱体旋转180度工况

5.2.4圆柱体旋转270度工况

5.3加热对垂直向上绕流旋涡脱落特性的影响

5.3.1圆柱体旋转0度工况

5.3.2圆柱体旋转90度工况

5.3.3圆柱体旋转180度工况

5.3.4圆柱体旋转270度工况

5.4加热对垂直向下绕流旋涡脱落特性的影响

5.4.1圆柱体旋转0度工况

5.4.2圆柱体旋转90度工况

5.4.3圆柱体旋转180度工况

5.4.4圆柱体旋转270度工况

5.5结论

5.5.1加热对水平绕流工况旋涡脱落特性的影响

5.5.2加热对垂直向上绕流工况旋涡脱落特性的影响

5.5.3加热对垂直向下绕流工况旋涡脱落特性的影响

5.5.4来流方向不同时加热对旋涡脱落特性的影响

第6章结论与展望

参考文献

致谢

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果