活塞驱动式自耦合射流强化传热特性研究

论文摘要

流动主动控制和强化换热技术一直是流体力学和工程热物理学科领域的研究重点,近年来,具有零质量射流特征的自耦合射流激发器吸引了众多研究者的关注。本文采用实验和数值模拟相结合的研究手段,对活塞驱动式自耦合射流的换热特性开展了较为详细的研究。在数值计算方法上,将活塞的运动规律用具有周期性正弦曲线运动特征的方程来描述,基于FLUENT商用软件,通过编写用户自定义程序UDF,利用动网格技术对激发器腔体底面施加强制移动法则,实现了激发器腔体内外流场和温度场的三维非定常耦合计算。对自耦合射流激发器的激励参数和几何结构进行了数值研究,获得了自耦合射流激发器的一些优化控制参数。研究表明,激发器的输入频率占了主导因素,直接决定了自耦合射流激发器的性能,随频率的增大,射流速度得到明显的提升。开展了自耦合射流在强化换热方面的研究,得到了不同形状喷口的自耦合射流对靶板的冲击换热特性规律,同时分析了不同排列方式的多喷口自耦合射流对换热的相干作用。随冲击间距的增大,自耦合射流作用下的靶面换热效果呈现出先逐渐增强后逐渐衰减的变化趋势,存在最佳冲击间距值。在相同射流雷诺数下与常规射流的冲击冷却相比,自耦合射流的作用范围大,表明自耦合射流具有更强的夹带能力和穿透能力;对于多喷口的自耦合射流,通过大量的实验数据分析,其相干后的自耦合射流在顺排时对靶板的冲击换热效果要优于叉排。开展了自耦合射流与横流共同作用下的换热特性研究,分析了两者相互作用的机制。一方面,横流的存在,对自耦合射流向冲击靶板的穿透有削弱影响,导致自耦合射流向下游偏转,不同程度地降低了自耦合射流的冲击换热效果;另一方面,自耦合射流与横流发生掺混也强化了横流的脉动程度。总体上看,二者共同作用的换热效果优于单纯的自耦合射流冲击和横流冲刷作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 研究内容
• 第二章 自耦合射流数值计算和实验研究方法
• 2.1 数值计算方法
• 2.1.1 流动控制方程
• 2.1.2 湍流模型
• 2.1.2.1 重整化群k-ε湍流模型（RNG k-ε湍流模型）
• 2.1.2.2 Realizable k-ε湍流模型
• 2.1.3 动网格技术
• 2.1.4 计算方法
• 2.2 实验系统和方法
• 2.2.1 自耦合射流激发器系统
• 2.2.2 换热特性实验系统
• 2.2.2.1 电加热系统
• 2.2.2.2 红外热像仪测温系统
• 2.2.2.3 气流供给系统
• 2.3 本章小结
• 第三章 自耦合射流影响因素的数值研究
• 3.1 计算域和边界条件
• 3.2 网格划分
• 3.3 数值模拟结果与分析
• 3.3.1 喷口高度
• 3.3.2 驱动频率
• 3.3.3 驱动振幅
• 3.4 本章小结
• 第四章 单股自耦合射流的换热特性研究
• 4.1 实验数据处理方法
• 4.1.1 射流雷诺数的计算
• 4.1.2 自耦合射流冲程长度及平均出口流速计算
• 4.1.3 对流换热系数的定义
• 4.1.4 努塞尔数的定义
• 4.1.5 实验工况
• 4.2 实验结果与分析
• 4.2.1 自耦合射流与换热通道垂直放置
• 4.2.1.1 不同冲击间距对换热的影响
• 4.2.1.2 不同活塞驱动频率对换热的影响
• 4.2.1.3 不同热流密度对换热的影响
• 4.2.1.4 有横流作用下的换热特性
• 4.2.2 自耦合射流与常规射流换热特性比较
• 4.2.2.1 不同冲击间距对换热影响的比较
• 4.2.2.2 不同冲击雷诺数对换热影响的比较
• 4.2.2.3 不同热流密度对换热影响的比较
• 4.3 数值研究
• 4.3.1 计算域和网格划分
• 4.3.2 自耦合射流冲程长度及平均出口流速分布
• 4.3.3 自耦合射流周期内流场中心线速度分布
• 4.3.4 自耦合射流周期内对靶板冲击冷却的温度场分析
• 4.3.5 自耦合射流与常规射流换热特性比较
• 4.4 计算结果与实验结果比较
• 4.5 本章小结
• 第五章 多股自耦合射流换热特性实验研究
• 5.1 实验系统与工况
• 5.2 实验结果与分析
• 5.2.1 无横流时自耦合射流换热特性分析
• 5.2.2 有横流时自耦合射流换热特性分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结和展望
• 6.1 本文总结
• 6.2 下一步研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文