旋轉(zhuǎn)曲線管道內(nèi)湍流流動結(jié)構(gòu)和傳熱特性研究.pdf

1、本文工作是國家自然科學(xué)基金《旋轉(zhuǎn)曲線管道內(nèi)流動結(jié)構(gòu)與傳熱特性研究》(No．10272096)研究內(nèi)容的一部分。 旋轉(zhuǎn)曲線管道廣泛存在于工程應(yīng)用中，在各種旋轉(zhuǎn)機(jī)械的流體輸運系統(tǒng)，控制管路系統(tǒng)以及管路冷卻系統(tǒng)中，流體的流動和對流傳熱特性是影響機(jī)械性能的重要因素。在工程實際中，絕大多數(shù)流動都處于湍流狀態(tài)。在湍流運動狀態(tài)下，曲線管道系統(tǒng)中的流動和對流傳熱特性是研究較少，但又是迫切需要解決的課題：同時，因為血管的血液流動是一個典型的曲線管

2、道內(nèi)流動問題，因此該課題的深入研究還有助于生物流體力學(xué)的進(jìn)展。由此可以看出，本課題具有重要理論意義和廣闊的應(yīng)用前景。 本文在總結(jié)和分析了近一百多年來有關(guān)曲線管道流動和對流傳熱特性研究成果的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出螺旋曲線坐標(biāo)系下，以多參數(shù)旋轉(zhuǎn)螺旋管道為基礎(chǔ)的雷諾平均N-S方程，k-ε湍流模型方程以及能量方程。并采用數(shù)值方法研究處于靜止和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，不同參數(shù)和截面形狀的螺旋管道內(nèi)湍流流動和對流傳熱特性。詳細(xì)分析了充分發(fā)展的和發(fā)展段的湍流管道

3、內(nèi)，不同截面形狀和幾何參數(shù)對軸向速度分布，截面二次流結(jié)構(gòu)，湍動能，曲線管道摩擦比，溫度分布和曲線管道Nusselt系數(shù)比等管道流動和傳熱特性的影響。 本文的貢獻(xiàn)和創(chuàng)新主要表現(xiàn)在：推導(dǎo)并數(shù)值求解了旋轉(zhuǎn)曲線坐標(biāo)系下螺旋管道內(nèi)的湍流雷諾平均N-S方程和k-ε兩方程湍流模型方程，分析了各個參數(shù)對于湍流流動和傳熱特性的影響。主要研究結(jié)果有： (1) 螺旋管道內(nèi)湍流流動時軸向速度分布比較層流要顯得平坦，軸向速度最大值要小于層流時的軸

4、向速度最大值。 (2) 靜止圓截面螺旋管道內(nèi)湍流的管道截面上，存在兩個旋轉(zhuǎn)方向相反的二次渦，上方順時針旋轉(zhuǎn)的二次渦被壓縮在一個很小的范圍之內(nèi)，比層流狀態(tài)下的要小很多。在方截面彎管的湍流流動中，當(dāng)寬高比小于某個值時，流動會出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，此時截面外彎側(cè)會出現(xiàn)一對額外的二次渦。與層流相比，截面上并沒有發(fā)現(xiàn)多于四個二次渦的情形，當(dāng)寬高比進(jìn)一步減小的時候，流動又趨于穩(wěn)定狀態(tài)。 (3) 在本文所考慮的旋轉(zhuǎn)數(shù)范圍內(nèi)([-2，1])，

5、軸向速度最大值隨著旋轉(zhuǎn)數(shù)的增大先逐漸增大，在-0.25附近達(dá)到最大值，然后又逐漸減小。二次流、無量綱溫度、摩擦系數(shù)以及Nusselt數(shù)都先逐漸減小，在-1附近達(dá)到最小值，然后又不斷增大。 (4) 旋轉(zhuǎn)螺旋管道內(nèi)湍流流動的管道摩擦系數(shù)和Nusselt數(shù)要明顯大于層流時的數(shù)值，在管道入口發(fā)展段，管道摩擦系數(shù)和Nusselt數(shù)沿著軸向的變化，出現(xiàn)了比較明顯的振蕩。這兩個系數(shù)在旋轉(zhuǎn)數(shù)為-1時達(dá)到最小值，但是在數(shù)值上都大于相同條件下直管道