湍流拟序结构的主动控制及强化传热机理

论文摘要

湍流边界层拟序结构是近代湍流研究的重要发现之一,是目前湍流研究中的一大热点问题。在工业和环境问题中,伴随湍流拟序结构产生的传热、扩散、摩擦阻力和噪声等现象引起了人们的高度重视。从节约能源和保护环境角度来看,发展有效的湍流控制技术对减少阻力和强化传热具有重要的意义。本文在湍流边界层拟序结构现有研究的基础上,应用数值模拟和实验研究相结合的方法,研究了主动控制对流场传热和流动阻力特性的影响。本文运用亚格子动力模型对矩形空槽道流动进行了大涡模拟,获得了流场中压力场、温度场、速度场、涡量场和流动结构等物理量的信息,再现了湍流拟序结构的变化过程。通过对计算结果的分析,确定了可能对换热和减阻具有实际效果的六种主动控制模式;即扰动速度与流向成-30°、-45°、-90°、-135°、-150°、90°。对六种主动控制模式采用大涡模拟方法进行了数值模拟,得到了各种控制模式条件下的流动与传热特性,并对湍流拟序结构与流动、传热特性的相互作用与影响规律进行了分析。计算结果表明:-45°和-30°控制模式可以有效改变控制区域及其下游的速度场、温度场,具有强化传热的效果,且摩擦系数下降;而-135°、-150°、90°控制模式对速度场、温度场影响不大,虽有减阻效果,但换热效果也会下降。就流动换热的综合特性而言,-45°、-30°、-135°、-150°和90°等五种控制模式综合系数（Nu/Nu0）/（f/f0）1/3大于空槽道水平,而-90°控制模式的综合系数小于空槽道水平。为对数值模拟的结果进行验证,本文对矩形槽道的传热与流动特性进行了实验研究,对数值计算的空槽道和90°控制模式进行了相关的实验研究,所得结果与数值模拟结果基本相符,一致性较好。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 湍流问题
• 1.2 湍流拟序结构的研究
• 1.3 拟序结构的主动控制
• 1.4 强化传热
• 1.5 湍流减阻
• 1.6 强化传热的评价准则
• 1.7 本文研究的主要内容
• 1.8 本章小结
• 第二章 湍流的数值模拟及控制方程
• 2.1 湍流的基本研究方法
• 2.2 湍流的控制方程
• 2.3 大涡模拟及其模型
• 2.3.1 滤波函数
• 2.3.2 大尺度运动的控制方程
• 2.3.3 亚格子应力模型
• 2.3.4 亚格子热流通量模型
• 2.4 本章小结
• 第三章 物理模型及计算条件
• 3.1 物理模型
• 3.2 网格的划分
• 3.3 计算条件
• 3.4 本章小结
• 第四章 数值模拟结果及分析
• 4.1 空槽道下流场的计算结果及分析
• 4.1.1 速度场
• 4.1.2 温度场
• 4.1.3 压力场
• 4.1.4 涡量场
• 4.2 主动控制模式下的流场计算结果及分析
• 4.2.1 上抛控制模式对流场的影响
• 4.2.2 下扫控制模式对流场的影响
• 4.3 计算结果的分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 主动控制模式对流换热实验
• 5.1 实验装置简介
• 5.2 振动发生系统
• 5.3 平板的加热和实验参数的测量
• 5.4 实验数据及分析
• 5.4.1 实验数据
• 5.4.2 努塞尔数和流动阻力的分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 符号表
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢