小尺度圆柱涡流发生器的传热与流动特性

摘要

工程领域中，流体在输送管道中的流动与传热一直是人们所关注的焦点问题之一。流体流动的许多宏观特性，如阻力变化、热量传递、能量输运与耗散等均与壁面边界层区的拟序结构相关。如何有效控制边界层中的拟序结构对于强化传热和抑制流动阻力有着重要的理论研究价值，且其结果对热能工程领域中的实际问题也具有重要的理论指导意义。
　　本文通过在矩形槽道湍流边界层中设置一小尺度圆柱涡流发生器，研究钝体所产生的尾迹流对近壁区边界层拟序结构的影响，进而探究其对流动与传热特性的影响。在雷诺数Re=3745条件下，采用大涡模拟方法分别对矩形空槽道、设置小尺度基准圆柱和小尺度开缝圆柱槽道内的流动与传热特性进行了研究。
　　为分析比较设置小尺度圆柱涡流发生器后，槽道内流动与传热特性的变化，首先对未设置小尺度圆柱涡流发生器矩形槽道内的流动与传热特性进行了计算分析。在对设置基准圆柱、开缝圆柱槽道所进行的数值计算中，间隙比（圆柱与槽道底部间隙 G与圆柱直径 D的比值）G/D=0~6.0，缝隙比（开缝圆柱缝宽 S与圆柱直径D的比值）S/D=0.35。计算结果表明：除G/D=0外，湍流边界层内的圆柱尾流能显著改善槽道底面的换热特性，并可有效抑制槽道壁面流动阻力的增加。当间隙比G/D＜2.0时，产生于开缝圆柱缝隙的冲击射流能进一步加强尾迹流与壁面边界层的相互作用。与设置基准圆柱槽道的换热性能相比，其整体热性能改善。此外，设置基准圆柱与开缝圆柱槽道的综合性能系数随间隙比的增大逐渐增加。当间隙比G/D≥2.0时，开缝圆柱尾流的稳定性较差，其缝隙内的冲击射流在一定程度上可阻止圆柱尾流外部流体的下扫运动，进而导致槽道底部整体热性能恶化；二者综合性能系数随间隙比的增加逐渐减小。此外，还对不同直径圆柱（D/H=0.05、0.1）对槽道内流动与传热特性的影响进行了分析，结果表明：在相同间距下，设置直径较大圆柱的槽道具有较好的换热特性。
　　本文研究表明：湍流边界层内钝体尾迹流的流动结构具有很好的周期性，尾流的涡脱落是一个周期性的扰动元，可以显著提高通道壁面的整体热性能。

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字母注释表

第一章 绪论

1.1 研究背景及其意义

1.2 强化传热与流动减阻

1.3 国内外研究现状

1.4 本文主要的研究内容

1.5 本章小结

第二章 湍流的数值模拟

2.1 湍流的研究方法

2.2 基本控制方程

2.3 大涡模拟

2.4 本章小结

第三章 物理模型和数学模型的建立

3.1 物理模型

3.2 网格划分

3.3 边界条件和初始条件

3.4 数值方法及结果验证

3.5 本章小结

第四章 矩形空槽道内的流动与传热特性

4.1 速度场

4.2 温度场

4.3 涡量场

4.4 底面摩擦系数和底面Nu数

4.5 本章小结

第五章 小尺度圆柱矩形槽道内的流动与传热特性

5.1 槽道内布置基准圆柱的数值计算结果分析

5.2 槽道内布置开缝圆柱的数值计算结果分析

5.3 不同直径圆柱对近壁区流动与换热的影响

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢