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旋转曲线管道内湍流流动结构和传热特性研究

麻剑锋  
【摘要】: 本文工作是国家自然科学基金《旋转曲线管道内流动结构与传热特性研究》(No.10272096)研究内容的一部分。 旋转曲线管道广泛存在于工程应用中,在各种旋转机械的流体输运系统,控制管路系统以及管路冷却系统中,流体的流动和对流传热特性是影响机械性能的重要因素。在工程实际中,绝大多数流动都处于湍流状态。在湍流运动状态下,曲线管道系统中的流动和对流传热特性是研究较少,但又是迫切需要解决的课题:同时,因为血管的血液流动是一个典型的曲线管道内流动问题,因此该课题的深入研究还有助于生物流体力学的进展。由此可以看出,本课题具有重要理论意义和广阔的应用前景。 本文在总结和分析了近一百多年来有关曲线管道流动和对流传热特性研究成果的基础上,推导出螺旋曲线坐标系下,以多参数旋转螺旋管道为基础的雷诺平均N-S方程,κ-ε湍流模型方程以及能量方程。并采用数值方法研究处于静止和旋转状态下,不同参数和截面形状的螺旋管道内湍流流动和对流传热特性。详细分析了充分发展的和发展段的湍流管道内,不同截面形状和几何参数对轴向速度分布,截面二次流结构,湍动能,曲线管道摩擦比,温度分布和曲线管道Nusselt系数比等管道流动和传热特性的影响。 本文的贡献和创新主要表现在:推导并数值求解了旋转曲线坐标系下螺旋管道内的湍流雷诺平均N-S方程和κ-ε两方程湍流模型方程,分析了各个参数对于湍流流动和传热特性的影响。主要研究结果有: (1)螺旋管道内湍流流动时轴向速度分布比较层流要显得平坦,轴向速度最大值要小于层流时的轴向速度最大值。 (2)静止圆截面螺旋管道内湍流的管道截面上,存在两个旋转方向相反的二次涡,上方顺时针旋转的二次涡被压缩在一个很小的范围之内,比层流状态下的要小很多。在方截面弯管的湍流流动中,当宽高比小于某个值时,流动会出现不稳定现象,此时截面外弯侧会出现一对额外的二次涡。与层流相比,截面上并没有发现多于四个二次涡的情形,当宽高比进一步减小的时候,流动又趋于稳定状态。 (3)在本文所考虑的旋转数范围内([-2,1]),轴向速度最大值随着旋转数的增大先逐渐增大,在-0.25附近达到最大值,然后又逐渐减小。二次流、无量纲温度、摩擦系数以及Nusselt数都先逐渐减小,在-1附近达到最小值,然后又不断增大。 (4)旋转螺旋管道内湍流流动的管道摩擦系数和Nusselt数要明显大于层流时的数值,在管道入口发展段,管道摩擦系数和Nusselt数沿着轴向的变化,出现了比较明显的振荡。这两个系数在旋转数为-1时达到最小值,但是在数值上都大于相同条件下直管道的摩擦系数和Nusselt数。 (5)旋转螺旋管道内的入口湍流强度对流动和温度场结构、湍动能、摩擦系数以及Nusselt数的影响都局限在距离入口端不超过30倍管道直径的有限长度内。在入口湍流强度的影响范围内,入口湍流强度越大,湍动能、摩擦系数以及Nusselt数越大。


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