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射流强化矩形螺旋通道内流动及换热机理研究

王霞  
【摘要】:射流是一种有效的强化换热方式,在工业应用和基础研究中起着重要作用,本文提出采用射流式涡流发生器(JVG)强化螺旋通道换热,基于CFD Fluent软件采用k-ε湍流模型进行流动与换热的定常数值模拟,采用三维激光多普勒测速仪(LDV)验证了数值方法的准确性,并对涡旋结构的非定常特性进行了初步研究。基于不同射流参数和通道参数对螺旋通道内流动与传热进行定常数值模拟,分析不同射流速比(εj)、入射角(β)、通道曲率(κ)以及截面高宽比(η)条件下通道内的复合流场、阻力特性和作用距离,并基于场协同原理揭示JVG的强化换热机理,采用综合强化传热因子JF对JVG的综合强化换热效果进行评价。结果表明:射流起始段冲向壁面的二次涡旋(CFD涡)增强了内壁附近流体湍动,并在通道内经历逐渐分解和耗散的过程。在研究范围内,随着射流速比εj值的增大,射流对螺旋通道的强化传热作用增强,但同时流动阻力也显著增大;随着射流入射角β的增大,射流的强化传热效果减弱,β=75°时射流的强化换热效果不显著;对于κ=0.1341、η=1.11的螺旋通道,射流在螺旋通道内的最大作用距离可达74dh(dh为螺旋通道当量直径)。一定εj值和β值下,减小螺旋通道的曲率κ可以提高强化换热效果;增大截面高宽比η值,射流对通道内侧壁面的冲击作用增强,强化换热效果提高。基于螺旋通道原有流量和考虑由于射流带来的流量增加两种情况获得的综合强化传热因子JF的范围分别为1.45~2.14和1.12~1.28。采用大涡模拟对涡旋发展特性进行了分析,结果表明,受主流作用射流核心区剪切层不稳定,射流流体在通道内形成两侧卷吸涡旋,随着流动的发展卷吸涡旋与主流混合破碎为较多小涡,采用λ2判据对涡拟序结构进行判定,得到强度较大的射流纵向卷吸涡在螺旋通道内形成、混合和破碎的演化过程。


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