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湍流传热和湍流控制的数值模拟研究

王磊  
【摘要】: 本文采用直接数值模拟和大涡模拟方法,研究了几种典型的湍流传热和湍流控制问题,包括振荡压力梯度驱动的槽道湍流和被动传热,以及带自由面的稳定热分层槽道湍流;展向行波洛仑兹力作用下的湍流和传热;展向振荡波形壁湍流的湍流特性和减阻控制。研究表明,在各类驱动力包括振荡的压力梯度、热分层引起的浮力、展向行波洛仑兹力以及波形壁的展向振荡等的影响下,湍流统计量、热统计量以及流动结构等都存在显著改变,并发现一些新的流动特性。本文主要工作和研究成果如下: 在振荡压力梯度驱动下的槽道湍流中,在加速相位和减速相位,流动体现出不同的特性。在加速相位,湍流受到抑制,高低速条带破碎为“湍斑”;而在减速相位,湍流增强。条带结构强度加强。不同频率下,振荡压力梯度的影响不同。低频振荡时,在不同相位,速度及温度统计量会有明显差异;高频振荡时,振荡压力梯度的影响则相对较弱。时间平均和相位平均的温度分布都存在线性区和对数律区,温度分布的对数律曲线中的von Karman常数基本不受Prandtl数和相位的影响。时间平均以及相位平均的湍流传热系数很好地满足Pr~(-2/3)或Pr~(-0.7)关系。高Prandtl数下传热主要由粘性底层之内的小尺度湍流结构主导。 在稳定分层的自由面湍流中,稳定分层使得湍流边界层出现层流化趋势,带来相应湍流统计量的变化。不同Prandtl数下,分层的影响不同。高Prandtl数下,稳定分层对湍流统计量的影响较小。同时,由于温度场与速度场耦合地相互作用,Prandtl数的降低,使得稳定分层导致的层流化的趋势加强。温度分布的von Karman常数随Richardson数变化,基本不随Prandtl数变化。固壁附近温度扩散底层厚度满足Pr~(-1/3)或Pr~(-0.3)关系,自由面附近则近似为Pr~(-1/2)律。自由面附近的Nusselt数满足Pr~(1/2)律。Prandtl数和Richardson数的影响改变了近壁面速度场和温度场结构,进而影响了表面更生行为发生的频率和自由面表面的传热传质过程。 在展向行波洛仑兹力作用下的湍流和传热问题中,展向行波洛仑兹力引入了展向的运动和外部的流向涡,并且频率越低,其强度越强。在高频时,条带结构强度减弱,导致较小的减阻。合适的频率下高低速条带结构消失,条带结构十分稳定,产生30%的减阻。在更低的频率下,展向运动使得流向速度脉动和涡量脉动大大增强,导致阻力增加。壁面附近速度场的改变也引起了温度场结构和统计量以及传热效率的相应变化,在低Prandtl数下,通过表面更生行为影响了自由面“冷热斑”的形成。 在展向振荡波形壁上的湍流流动问题中,波形壁面的展向振荡产生显著的减阻效果,其摩阻与振荡频率和波幅有关。当振荡周期T~+=100时,由于引入了展向涡量,减弱了流向涡,导致减阻,摩阻随着波幅的增加而增加。当T~+=200时,随着波幅的增加,壁面的展向运动从流向吸取能量并分配到展向,带来展向运动的增强和摩阻的降低。当波幅进一步增加时,展向运动的增强导致了流向涡的增强,而使得阻力增加。研究还表明,壁面附近的流场结构与波形壁面形状密切相关。


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