湍流傳熱和湍流控制的數(shù)值模擬研究.pdf

1、本文采用直接數(shù)值模擬和大渦模擬方法，研究了幾種典型的湍流傳熱和湍流控制問題，包括振蕩壓力梯度驅(qū)動的槽道湍流和被動傳熱，以及帶自由面的穩(wěn)定熱分層槽道湍流；展向行波洛侖茲力作用下的湍流和傳熱；展向振蕩波形壁湍流的湍流特性和減阻控制。研究表明，在各類驅(qū)動力包括振蕩的壓力梯度、熱分層引起的浮力、展向行波洛侖茲力以及波形壁的展向振蕩等的影響下，湍流統(tǒng)計量、熱統(tǒng)計量以及流動結(jié)構(gòu)等都存在顯著改變，并發(fā)現(xiàn)一些新的流動特性。本文主要工作和研究成果如下：

2、 在振蕩壓力梯度驅(qū)動下的槽道湍流中，在加速相位和減速相位，流動體現(xiàn)出不同的特性。在加速相位，湍流受到抑制，高低速條帶破碎為“湍斑”；而在減速相位，湍流增強，條帶結(jié)構(gòu)強度加強。不同頻率下，振蕩壓力梯度的影響不同。低頻振蕩時，在不同相位，速度及溫度統(tǒng)計量會有明顯差異；高頻振蕩時，振蕩壓力梯度的影響則相對較弱。時間平均和相位平均的溫度分布都存在線性區(qū)和對數(shù)律區(qū)，溫度分布的對數(shù)律曲線中的yon Karman常數(shù)基本不受Prandtl數(shù)和相

3、位的影響。時間平均以及相位平均的湍流傳熱系數(shù)很好地滿足Pr-<'2/3>或Pr<'-0.7>關(guān)系。高Prandtl數(shù)下傳熱主要由粘性底層之內(nèi)的小尺度湍流結(jié)構(gòu)主導(dǎo)。 在穩(wěn)定分層的自由面湍流中，穩(wěn)定分層使得湍流邊界層出現(xiàn)層流化趨勢，帶來相應(yīng)湍流統(tǒng)計量的變化。不同Prandtl數(shù)下，分層的影響不同。高Prandtl數(shù)下，穩(wěn)定分層對湍流統(tǒng)計量的影響較小。同時，由于溫度場與速度場耦合地相互作用，Prandtl數(shù)的降低，使得穩(wěn)定分層導(dǎo)致的層

4、流化的趨勢加強。溫度分布的von Karman常數(shù)隨Richardson數(shù)變化，基本不隨Prandtl數(shù)變化。固壁附近溫度擴散底層厚度滿足Pr<'-/3>或Jpr<'-0.3>關(guān)系，自由面附近則近似為Pr<'-1/2>。律。自由面附近的Nusselt數(shù)滿足Pr<'1/2>律。Prandtl數(shù)和Richardson數(shù)的影響改變了近壁面速度場和溫度場結(jié)構(gòu)，進而影響了表面更生行為發(fā)生的頻率和自由面表面的傳熱傳質(zhì)過程。 在展向行波洛侖茲

5、力作用下的湍流和傳熱問題中，展向行波洛侖茲力引入了展向的運動和外部的流向渦，并且頻率越低，其強度越強。在高頻時，條帶結(jié)構(gòu)強度減弱，導(dǎo)致較小的減阻。合適的頻率下高低速條帶結(jié)構(gòu)消失，條帶結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定，產(chǎn)生30％的減阻。在更低的頻率下，展向運動使得流向速度脈動和渦量脈動大大增強，導(dǎo)致阻力增加。壁而附近速度場的改變也引起了溫度場結(jié)構(gòu)和統(tǒng)計量以及傳熱效率的相應(yīng)變化，在低Prandtl數(shù)下，通過表面更生行為影響了自由面“冷熱斑”的形成。 在

6、展向振蕩波形壁上的湍流流動問題中，波形壁面的展向振蕩產(chǎn)生顯著的減阻效果，其摩阻與振蕩頻率和波幅有關(guān)。當振蕩周期T<'+>=100時，由于引入了展向渦量，減弱了流向渦，導(dǎo)致減阻，摩阻隨著波幅的增加而增加。當T<'+>=200時，隨著波幅的增加，壁面的展向運動從流向吸取能量并分配到展向，帶來展向運動的增強和摩阻的降低。當波幅進一步增加時，展向運動的增強導(dǎo)致了流向渦的增強，而使得阻力增加。研究還表明，壁面附近的流場結(jié)構(gòu)與波形壁面形狀密切相關(guān)。