过渡流状态下后向台阶的流动特性以及传热机理的研究

摘要

在当前国际社会积极应对能源紧缺，提高能源利用效率的背景下，换热设备作为工业上广泛应用的热量传递设备，正向着高效、小型的方向发展。管内换热设备小型化后，管内将会出现更多的过渡流状态。由于过渡流是一种有别于层流和湍流的特殊流动状态，基于湍流的流动传热机理已不完全适用于过渡流，所以对过渡流下传热机理的研究已经引起了广大学者的关注。 后向台阶是用于研究分离流动和强化传热的常用几何模型之一，主要有两方面原因:一是后向台阶不仅几何模型简单，而且后向台阶流动包含了分离流动复杂的流动特性;二是流过后向台阶的流体由于流动截面突扩发生流动分离，能够使稳定的流动状态提前向不稳定流态转变，这是低雷诺数下强化传热的常用手段之一。许多高性能管内换热设备的流场具有分离流动的特征，其流动和传热模型可以简化为后向台阶模型。 本论文针对后向台阶在过渡流状态下的流动特性和传热特性开展研究，结合流场结构的变化对传热机理进行分析，解明过渡流下分离流动的传热机理。由于过渡流区域流动状态的复杂性、流动控制方程的非线性，本文采用非定常数值方式建立了后向台阶的流动传热数值模型，通过数值模拟的方法对后向台阶在过渡流下的流动及传热特性进行了系统的研究，取得了一些具有学术意义及实用价值的研究结论: 流体的进口流速、台阶的几何参数是影响流场和传热特性的基本参数。首先在低雷诺数下系统地研究了雷诺数、台阶高度、平板间高度、扩张比等参数的变化对后向台阶底面传热特性的影响，结合流场结构对传热规律进行了分析，为研究后向台阶在过渡流下的非定常的流场和传热特性做准备。 在过渡流下，通过数值模拟系统地研究了雷诺数增大时，台阶下游的流场、温度场的变化情况;根据再附着点上游主回流区流场结构的变化，将流场分为三种情况后，对流场结构、流动特性作了进一步的研究，结合流场结构的变化分析了台阶底面的时均传热特性;比较了不同工况下近壁面处的温度、速度、压力对后向台阶底面的传热特性的影响。过渡流下的后向台阶流动会在流道的中间区域产生大尺度的旋转方向相反的旋涡对，在流道的上、下壁面分别产生小尺度的附壁旋涡;后向台阶底面的局部时均努塞尔数沿着流动方向的分布出现主峰、次峰;主回流区内部底面出现的附壁旋涡强化了主峰上游壁面附近的传热。 后向台阶下游的流动参数随着时间的变化规律表明了过渡流下后向台阶的流场具有非定常特性。比较了不同雷诺数下，后向台阶下游底面局部努塞尔数、局部表面摩擦系数的瞬时分布和时均分布，结合瞬时流场结构对瞬时传热特性作了详细分析。比较了同一瞬时的后向台阶底面的局部努塞尔数和局部表面摩擦系数曲线的分布特征，根据流动特征和传热特征，把后向台阶下游的非定常流动区域分为“强周期性区”和“弱周期性区”，雷诺数越大，弱周期性区域扩大，流场的非定常特性越强。 在过渡流下，研究了后向台阶的扩张比对流场、底面时均传热特性的影响。扩张比越大，流道中正、负旋涡相互阻隔，流体之间的相互作用越强烈，底面局部时均努塞尔数的主峰值提高，但主峰下游局部时均努塞尔数普遍较低;减小扩张比，正、负旋涡之间的相互作用减弱，底面局部时均努塞尔数的主峰值减小，但主峰下游局部时均努塞尔数提高;减小扩张比，主峰、次峰的间距增大，但双峰现象减弱。研究了不同扩张比的后向台阶在过渡流下的瞬时流场、瞬时传热特性随着时间的变化，减小扩张比，底面局部瞬时努塞尔数的波动幅值减小，相邻两个波峰之间的间距增加，说明底面相邻附壁旋涡的间距增加了，同一段距离内，附壁旋涡的个数减少了。 在过渡流下，结合对流场的分析，研究了后向台阶流动的传热机理。过渡流下，后向台阶流道中的负旋涡将主流中的冷流体带入壁面，冷流体和热壁面进行充分的换热，提高了壁面的局部瞬时努塞尔数。后向台阶流道中的正旋涡虽然加速了壁面处的速度，但是速度方向平行于壁面，所以温度边界层快速增厚，壁面的换热恶化，降低了壁面的局部瞬时努塞尔数。局部瞬时努塞尔数的各个峰值位于底面每个附壁旋涡下游的拐点附近，局部瞬时努塞尔数的波谷位置始终处于流道中正旋涡的下方。流道中的旋涡随时间变化向下游运动，所以局部瞬时努塞尔数的峰值、波谷位置随时间也向下游移动。 本论文的研究工作可以丰富过渡流下的传热理论，为改进换热设备的结构、进一步提高换热器在过渡流状态下的换热效率提供参考，具有重要的科学理论意义和工程应用价值。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 对流强化传热技术概述

1．2．1 对流强化传热的途径

1．2．2 管内对流强化传热的主要方式

1．3 后向台阶的研究概述

1．3．1 后向台阶的工程应用

1．3．2 后向台阶的流场研究现状

1．3．3 后向台阶的传热特性研究现状

1．4 本文主要研究内容

1．5 本章小结

第2章 后向台阶流动与传热的数学模型和计算方法

2．1 后向台阶流动与传热的数学描述

2．1．1 计算区域

2．1．2 控制方程

2．1．3 边界条件

2．2 计算区域的离散化处理

2．2．1 网格生成的方法

2．2．2 计算区域的网格划分及细化

2．2．3 控制容积

2．2．4 交错网格

2．3 控制方程的离散与求解

2．3．1 数值模拟方法

2．3．2 离散化方法

2．3．3 控制方程的离散

2．3．4 壁面处有限差分方程的系数修正

2．3．5 压力与速度的耦合及修正

2．4 数值模型的建立方法

2．5 无量纲参数

2．5．1 雷诺数

2．5．2 努塞尔数

2．5．3 表面摩擦系数

2．6 数值计算方法的验证

2．6．1 网格独立性考核

2．6．2 数值计算模型的验证

2．7 本章小结

第3章 低雷诺数下后向台阶流动及传热特性的影响参数

3．1 数值计算模型

3．2 雷诺数对后向台阶流动及传热特性的影响

3．2．1 雷诺数对流场的影响

3．2．2 看诺数对温度场及底面局部努塞尔数分布的影响

3．2．3 雷诺数对流道剖面上速度和温度分布的影响

3．3 不同扩张比下后向台阶底面局部努塞尔数的分布

3．4 影响后向台阶流动与传热特性的几何参数

3．4．1 后向台阶通道的出口高度变化对传热特性的影响

3．4．2 后向台阶的台阶高度变化对传热特性的影响

3．5 本章小结

第4章 过渡流下后向台阶的非定常流动及传热特性

4．1 数值计算模型

4．2 后向台阶的流场

4．2．1 流场随冒诺数的变化

4．2．2 流动结构的分析

4．2．3 流动特性的分析

4．3 后向台阶的温度场

4．3．1 温度场随冒诺数的变化

4．3．2 后向台阶底面的时均传热特性

4．3．3 近壁面流动、传热参数的比较

4．4 后向台阶非定常特性的分析

4．4．1 底面局部努塞尔数分布

4．4．2 底面局部表面摩擦系数分布

4．4．3 MI、Cf分布曲线特征的比较和分析

4．4．4 局部时均努塞尔数的比较和分析

4．5 本章小结

第5章 过渡流下不同扩张比的后向台阶的流动及传热特性

5．1 数值计算模型

5．2 不同扩张比下后向台阶传热、流动特性的比较

5．2．1 底面局部时均努塞尔数的比较

5．2．2 瞬时温度场的比较

5．2．3 瞬时流场的比较

5．3 周期内流场和传热特性随时间的变化

5．3．1 研究周期的确定

5．3．2 底面局部瞬时努塞尔数随时间的变化

5．3．3 瞬时流场随时间的变化

5．4 本章小结

第6章 过渡流下后向台阶流动的传热机理分析

6．1 概述

6．2 底面瞬时流动特性和传热特性的比较

6．3 瞬时流场、温度场随着时间的变化

6．4 流动的统计特征

6．5 温度场的统计特征

6．6 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 本文主要成果与结论

7．2 本文的创新点

7．3 对今后工作的展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文及其他科研成果