论文摘要
本文采用了多种实验手段,如热线、冷线、PIV、LDV以及流动显示等,研究了一端固定于壁面一端为自由端面的有限长方形截面柱体尾流的流动结构和传热特性。实验中所主要研究的有限长柱体高宽比分别为3,5和7,柱体宽度为20mm。所有实验均在亚临界Reynolds数范围内进行,保证了实验结果与大部分文献中所报道结果的可比性。研究主要围绕有限长方形截面柱体高宽比对其后尾流结构的影响,壁面边界条件对有限长柱体尾流的影响,以及有限长方形截面柱体尾流中的传热特性等问题而展开。研究发现,有限长方形截面柱体尾流主要由三个部分组成,即柱体侧面所脱落的剪切流,自由端面后的下降流及柱体底部附近的上升流,这三部分流动分别形成尾流中的轴向涡,顶部涡和底部涡。上述三种涡的相互作用规律决定了有限长柱体尾流的特性。有限方形截面柱体的高宽比对其尾流有显著的影响。当H/d大于某一临界值时,尾流中除靠近自由端面的大部分区域内反对称的Kármán涡街在都占主导地位;而当H/d小于该临界值时,尾流则主要被对称的拱门形涡街所支配。顶部涡和底部涡都具有将尾流从反对称变为对称的趋势,因此,在自由端面下降流或底部上升流较强的区域内反对称涡街出现的概率会减少,而在其影响较小的区域内,反对称涡街的概率会增加。对于H/d较小的柱体,自由端面下降流和底部上升流相对较强,因此其尾流中对称涡结构占主要地位;而对于H/d相对较大的柱体,在尾流中间高度上由于上升流和下降流的影响较小,尾流以反对称涡街为主,而当靠近自由端面或底部时,反对称涡街概率有所减小。顶部涡对尾流的影响要大于底部涡的影响,并且顶部涡在尾流中衰减的较慢。边界条件对有限长柱体尾流也有显著的影响。当边界层厚度增加时,底部涡被增强,因此尾流中上升流得到加强而下降流则相对被抑制。边界变化对尾流的影响不仅表现在边界层厚度以内的尾流中,而且在超过边界层范围的尾流中也同样存在影响。随着边界层厚度的增加,反对称涡街概率在尾流下半部分有所减少而在上半部分则有所增加。相应的,尾流中Reynolds应力在下半部分有所减少而在上半部分反而增加。对有限长方形截面柱体尾流的传热特性在流向距离为x*=10的位置上进行了研究。由于尾流具有很强的三维性,在该流向位置上,周期性Kármán涡街在尾流中的影响已经相对较弱,因此其对尾流中散热的影响已经很小。由拟序结构所带来的温度脉动和热流都明显小于二维方形截面柱体尾流中的对应值。由随机脉动所带来的热流在尾流传热过程中占了主导地位。对H/d=5和7的柱体,尾流中不同高度上的传热特性明显不同。在尾流中间高度上可以观察到传热的周期性,但在此高度上由拟序结构所带来的热流仍远小于随机脉动所带来的热流。当靠近自由端面或底部时,随机脉动热流的周期性减弱,这与尾流场周期性在对应位置的减弱是一致的。而对H/d=3的柱体,尾流中传热特性在z*=2和1上是近似的。