沖擊射流換熱的大渦模擬.pdf

1、沖擊射流在基礎(chǔ)研究和工業(yè)應(yīng)用中扮演著相當重要的角色，是一個被廣泛研究的流動形態(tài)。高效的傳熱和傳質(zhì)特性使得其在工業(yè)上的表面冷卻、加熱和烘干中的應(yīng)用不斷增加。本文采用大渦模擬的計算方法，在OpenFOAM軟件平臺上，對噴口-壁面距離為5倍噴口直徑，無擋板的空氣垂直沖擊射流的流動和換熱問題進行研究。
　　首先，對三個中等射流Reynolds數(shù)4400、1.0×104和2.3×104的圓形沖擊射流進行了數(shù)值模擬計算。通過將計算結(jié)果與已經(jīng)公

2、開發(fā)表的數(shù)據(jù)進行對比，驗證了數(shù)值計算方法的準確性。對三個算例的瞬態(tài)和時均結(jié)果的對比分析表明，對于三個射流Reynolds數(shù)的情況，渦旋結(jié)構(gòu)都沒有形成完整的圓環(huán)。沖擊射流的大尺度湍流流動結(jié)構(gòu)，并沒有隨著射流Reynolds數(shù)的變化而發(fā)生本質(zhì)上的改變。射流Reynolds數(shù)的變化對歸一化平均速度大小幾乎沒有影響，而對歸一化平均湍動能有輕微的影響。在兩個徑向位置處，射流Reynolds數(shù)的變化對歸一化平均速度沿垂直方向分布的影響可以忽略。射流

3、Reynolds數(shù)對歸一化平均速度軸向分量的影響，主要表現(xiàn)在射流中軸線的位置附近。
　　然后，研究了噴口形狀對流動和傳熱特性的影響。對橢圓沖擊射流換熱問題進行了模擬計算，橢圓形噴口截面長寬比為1.5，射流Reynolds數(shù)為4400。將瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)的計算結(jié)果與上述圓形沖擊射流的相應(yīng)數(shù)據(jù)進行對比分析，結(jié)果表明:對于圓形和橢圓形兩種噴口形狀的沖擊射流，流動中的大尺度渦旋結(jié)構(gòu)大同小異，都沒有形成閉合的圓環(huán);在自由射流剪切層附近的區(qū)域，橢圓

4、沖擊射流的湍動能水平略低于圓形射流;局部Nusselt數(shù)在橢圓長軸上的分布出現(xiàn)了第二峰值，而在短軸上或在圓形射流中則沒有出現(xiàn)第二峰值;與圓形沖擊射流相比，橢圓沖擊射流的換熱水平在空間分布上更均勻;在滯止點附近的區(qū)域內(nèi)，圓形沖擊射流的強化換熱效果優(yōu)于橢圓射流;當所關(guān)注的換熱面積足夠大時，兩種沖擊射流的換熱效果幾乎相同。
　　最后，模擬了入口速度場施加主動擾動的沖擊射流。速度場擾動的振幅分別是入口整體速度Wb的30％和70％，射流Re

5、ynolds數(shù)為10000。通過將瞬態(tài)和時均結(jié)果與相應(yīng)的無擾動射流對比，得出以下幾個方面的結(jié)論:入口速度場擾動對大尺度流動結(jié)構(gòu)有本質(zhì)上的影響，在入口邊界施加擾動的射流中出現(xiàn)了比較完整、光滑的圓環(huán)形渦旋結(jié)構(gòu);速度場擾動帶來的周期性的速度變化對應(yīng)著周期性的環(huán)形渦旋結(jié)構(gòu);對速度場的擾動幅度越大，大尺度的渦旋結(jié)構(gòu)越規(guī)則、光滑，并且隨著流動的行進，渦旋更加不易破碎，帶來的卷吸作用更強烈;沖擊射流的入口速度場擾動，會導(dǎo)致流場中湍動能瞬態(tài)值的明顯提高

6、，這種作用隨著擾動振幅的增加而加強;另一方面，入口速度場擾動通過改變湍流中的大尺度渦旋結(jié)構(gòu)，使湍動能的分布也出現(xiàn)了明顯的變化;入口速度場擾動對速度的脈動和湍流應(yīng)力的影響，比其對平均速度的影響更大;對于滯止點附近的小塊換熱面積，施加速度場擾動振幅30％Wb的沖擊換熱效果優(yōu)于無擾動時的效果，然而，施加振幅70％Wb擾動時的沖擊換熱效果卻不及無擾動時的效果;如果把所關(guān)注的換熱面積放大，則兩種程度的擾動對換熱效果的加強都是有利的，且70％Wb時