湍流边界层控制对流动及换热影响研究

摘要

湍流拟序结构的发现改变了湍流是一种完全随机过程的传统观点，它展示了湍流表现的无序运动中包含的某种内在有序性。近壁湍流的拟序结构对边界层阻力的形成以及流体的传热传质有着非常重要的影响，因此，很好地理解近壁湍流的拟序结构对人们有效控制和利用湍流边界层流动有着重要的实际意义。针对湍流的流动阻力和换热情况，本文分别采用主动和被动控制方法对湍流边界层进行了控制，研究了其对边界层流动和换热特性的影响。
　　首先，对平面槽道和波纹面槽道进行了数值模拟。通过在初始流场中添加基于湍流拟序结构的扰动来获得充分发展湍流流场。模拟结果的流场以流向涡结构为主，并且很好地捕捉到了典型的发卡涡结构。对模拟结果进行统计平均，将统计结果与直接数值模拟结果以及经验公式计算结果进行了比较，结果吻合很好。
　　其次，采用被动控制方法对湍流边界层流动进行控制。控制通过圆孔表面、凹槽表面、基于波纹面凹槽表面、流向展向波纹表面来实现。在圆孔表面模型中，圆孔底层流体吸收部分来自边界层外层动量冲击，并使得外层动量在内层中得到缓冲，在动量传递过程中抑制了拟序结构中的上扬及猝发，使得流动阻力减小。凹槽表面使得流体边界层分离并破碎的同时产生了大量的诱导涡，以上扬和下扫为主的涡结构改变了凹槽面附近的流动结构。基于正弦波纹面的凹槽结构使得流体在波谷中产生回流的同时伴随大量流向涡的生成，回流及新生成的流向涡改变了壁面附近的流动结构。流向展向波纹表面由于展向波纹的存在使得流向涡汇聚于展向的波谷中，并使得涡远离壁面。与传统的波纹面相比，展向波纹的存在使得流动阻力减小，综合换热效果提高。
　　最后，对湍流边界层内流动的法向和展向脉动速度进行主动控制研究。法向脉动控制抑制了对雷诺应力贡献较大的上扬及猝发运动，使得流动阻力降低。展向脉动速度的控制抑制了快、慢速条纹之间的相互影响，抑制条带失稳的同时阻止流向涡的生成，达到了减阻的目的。
　　湍流边界层拟序结构的基本要素是条带结构和涡结构，上扬、下扫及猝发是组成拟序结构的主要运动形式。本文研究表明：对拟序结构中的任一事件进行控制可以达到对湍流流动阻力和换热控制的目的。拟序结构的各事件对阻力和换热贡献程度不同，对拟序结构不同事件的控制可以达到流动和换热更好结合的效果。

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第一章 绪论

1. 1 研究背景介绍

1. 2 湍流控制方法

1. 3 主要研究内容

第二章 控制方程和数值求解方法

2. 1 流体动力学控制方程

2. 2 数值计算方法

2. 3 雷诺应力方程模型

2. 4 大涡数值模拟方法

第三章 模拟方法验证

3. 1 平面槽道充分发展湍流模拟验证

3. 2 波纹面槽道内充分发展湍流模拟验证

3. 3 本章小结

第四章 湍流边界层壁面被动控制的流动和换热特性

4. 1 圆孔表面的流动和换热特性

4. 2 凹槽表面的流动和换热特性

4. 3 基于波纹表面的凹槽表面流动换热特性

4. 4 流向法向波纹表面流动换热特性

第五章 湍流边界层流向和法向脉动速度主动控制流动和换热特性

5. 1 数值模拟方法

5. 2 结果及讨论

5. 3 本章小结

第六章 结论与展望

6. 1 主要结论

6. 2 本文创新点

6. 3 研究展望

参考文献

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