湍流射流冲击壁面换热的数值模拟研究

摘要

本文针对工程中常用的冲击射流换热，分别开展了雷诺平均RANS模拟以及大涡模拟研究，研究了不同湍流模型对射流冲击换热的模拟准确性，并开展不同工况条件下的冲击射流换热特性数值模拟研究。
　　运用RANS数值模拟，采用RNG模型、V2F模型、SST模型和雷诺应力模型分别开展了射流冲击平面换热、射流冲击凸曲面换热的研究。对圆射流和狭缝射流冲击换热、不同射流出口到目标平面的无量纲特征距离H/D的实验工况进行模型验证;RANS模拟结果表明V2F模型在模拟射流冲击平面换热中有较好的表现，尤其是当H/D较小时，V2F模型能较好的预测努赛尔数的第二峰值位置。射流冲击凸曲面换热时，V2F模型依然能够较好地模拟凸曲面的努赛尔数，尤其是能够较好地给出二次峰值的位置。基于V2F湍流模型计算研究了卷吸作用对高温差下圆管冲击射流换热的影响，分析了基于绝热壁面温度计算的努赛尔数和射流有效度随射流和环境的温差以及雷诺数的变化，并研究了取不同定性温度对计算结果的影响。计算结果表明，高温差下定性温度取为射流温度时，基于绝热壁面温度计算的努赛尔数与射流和环境之间的温差近似无关，有效度也与雷诺数无关，但有效度随射流和环境的温差变化较大。因此，在温差较低时，依据射流和环境温度相同时的换热工况得到射流和环境温度不同时的换热工况是可行的，但温差越大，由该方法带来的误差也越大。
　　本文开展了方波周期性射流和连续射流冲击平面换热进行了大涡模拟，两种射流条件下的总空气流量相同。结果表明:射流剪切层的不稳定性导致剪切层附近形成大的拟序结构，在射流冲击区，存在交替变化的复杂流场结构。相较于连续射流，采用同等流量的方波射流可大大提高换热系数，尤其是在滞止点附近的传热大大增强，最高值可增加一倍。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 壁面射流换热的实验研究

1．3 数值模拟研究现状

1．3．1 冲击射流RANS模拟进展

1．3．2 冲击射流LES的研究现状

1．4 本文的工作

第2章 数学物理模型及数值方法

2．1 雷诺平均RANS方法中的输运方程

2．2 线性涡粘性模型

2．2．1 V2F湍流模型

2．2．2 RNG k-ε模型

2．2．3 剪切应变输运SST模型

2．2．4 标量的湍流输运模型

2．3 PANS模拟的数值方法

2．4 冲击射流大涡模拟控制方程及模型

2．4．1 亚格子湍流模型

2．4．2 动态Smagorinsky模型

2．4．3 大涡模拟的数值方法

2．5 本章小节

第3章 冲击射流换热的RANS数值模拟

3．1 高雷诺数圆射流冲击平板表面换热的RANS模拟

3．1．1 圆射流冲击壁面换热的物理模型

3．1．2 湍流模型

3．1．3 网格划分、边界条件和数值方法

3．1．4 计算结果及讨论

3．2 高雷诺数狭缝射流冲击平板表面换热的RANS模拟

3．2．1 狭缝射流冲击平板表面的物理模型

3．2．2 湍流模型

3．2．3 网格划分、边界条件和数值方法

3．2．4 计算结果及讨论

3．3 射流冲击凸曲面换热的RANS模拟

3．3．1 射流冲击凸曲面物理模型

3．3．2 湍流模型

3．3．3 网格划分、边界条件和数值方法

3．3．4 计算结果及分析

3．4 射流卷吸对冲击平板换热效果的数值研究

3．4．1 网格划分和边界条件

3．4．2 离散格式与算法

3．4．3 计算结果及分析

3．5 本章小结

第4章 LES计算结果及分析

4．1 数学物理模型

4．2 脉冲射流冲击平面换热研究

4．2．1 计算网格及边界条件

4．2．2 数值方法

4．2．3 计算结果及分析

4．3 本章小节

第5章 结论和展望

5．1 工作总结

5．2 研究展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果