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矩形通道内纵向涡发生器的换热和流动特性研究

宋文吉  
【摘要】:本文通过理论分析、实验研究和数值模拟三种方法对矩形通道内空气冲击纵向涡发生器后的流动及换热特性进行了研究。 在理论分析部分,对存在涡旋的流场的一些基本概念做了解释,阐述了涡旋的产生、发展,并对其强化传热的机理进行了分析。在二维流动与换热的场协同方程的基础上,推导出三维湍流换热的一般协同方程。由协同方程看出:换热强弱不仅取决于流体的速度和流体的特征,而且取决于速度矢量与热流矢量的协同关系。因此,可以通过改善速度场与温度场的协同程度来实现传热的强化。 在实验研究部分,设计并加工了四种形式的涡发生器和实验必需的浇注萘试件的模型,为实验的顺利完成提供了保障。实验根据热—质比拟原理,采用萘升华技术,并在吸入式风洞系统中进行。分别研究了三角形(DVG)、矩形(RVG)、三角形翼型(DWVG)和矩形翼型(RWVG)四种形式的纵向涡发生器的流动和换热特性,通过改变迎流冲击角和高宽比h/b,在雷诺数Re=2.0×10~5~5.5×10~5范围内,获得了它们的平均及局部换热规律。实验结果表明:1)三角形翼和矩形翼涡发生器最佳的冲击角在60°附近;2)局部换热强化最高可提高70%,平均换热强化最高可提高30%;3)几何尺寸是重要影响因素,在本实验条件下,随高度的增加,对应的Nu数也随之提高。综合比较得出结论,三角形翼涡发生器具有最好的换热效果。最后,实验结果较好地验证了场协同理论对涡流强化换热的机理。 数值模拟部分,采用CFD软件FLUENT来进行。在Gambit中建立了相应的三维物理模型,划分了细密的3D网格。利用有限容积法(FVM)对控制方程进行了离散化处理,选用SIMPLEC算法对压力—速度耦合方程进行求解,从而求得了速度场和温度场的数值解,并对流场和温度场进行了可视化显示。由计算结果可以看出:三角形翼和矩形翼涡发生器在纵向的强化作用明显,产生的漩涡可以向下游传播的很远;三角形和矩形涡发生器则能产生出涡偶,纵向传播能力较差,在横向的强化作用比较明显。 理论分析、实验研究和数值模拟的结果均表明:四种形式的涡发生器都能起到不同程度的强化传热效果。但是,由于纵向涡强化换热的整体效果还受到诸如


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