文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123171
低雷诺数下后台阶流动传热
特性数值研究
仲敏波1 包雅媛2 袁银男2 喜冠南2
(1. 江苏大学能源与动力工程学院,江苏镇江 212013;
2. 南通大学机械工程学院,江苏南通 226019)
(Tel:**********,E-mail:******@ntu.)
摘要:本文在低雷诺数范围(Re≤250)对二维后向台阶流动的传热特性进行了数值研究。所建立的数值模型与已存在的试验结果比较吻合。在ER=2、Re≤250时,速度场、温度场分布呈层流状,台阶下游壁面换热系数随雷诺数的增大而增大,在再附着点处,壁面换热系数达到最大值,再附着点上游壁面摩擦系数在靠近台阶的回流区域为负值,再附着点下游壁面摩擦系数为正。并得出了台阶高不变,ER变化时以及平板高度不变,ER变化时的换热系数变化规律。
关键词:低雷诺数;后向台阶流动;传热特性;表面摩擦系数;数值模拟
0 前言
后向台阶流动是包含流体分离和再附着现象的最基本几何模型之一,在工程实践中具有广泛应用。如燃烧室,热交换器,轴向和离心式压缩机叶片,燃气轮机叶片,微电子电路板,环境控制系统和许多其它设备中都会观察到后向台阶流动分离的形式。
关于后向台阶流动国内外已有大量的实验数值研究,如Armaly[1]通过实验和数值模拟研究了雷诺数70~8000范围内,再附着距离随雷诺数的变化规律。由于后向台阶的分离流动也会影响换热设备的换热特性,近年来,有学者开始研究后向台阶流动的换热特性。Iwai[2]研究了三维层流状态下,台阶两侧壁面间距和雷诺数对台阶底面换热系数分布的影响。由于侧壁对流场的影响,台阶下游壁面换热系数峰值将由原来位于中心线向两侧壁面迁移,研究还发现,最大换热系数随着台阶宽高比和雷诺数的增加而增大。
以上对后向台阶流动换热特性的研究主要集中在层流[3]和湍流[4-5]状况,模拟方式也主要采用定常(层流状况)和湍流模型(湍流状况)。在过渡流区域,也就是中间雷诺数300≤Re≤2000时,其流动、传热强化机理仍处于不明状态,本研究针对过渡流下二维后向台阶流动,研究其流场和换热特性规律,从而解明过渡流下的传热特性机理。作为本研究的第一步,本文建立二维非定常流传热数值计算模型,并通过既存的定常流数值解析结果进行验证,同时在定常流状态的情况下,对不同雷诺数,不同扩张比进行计算和分析,从而为过渡流下的传热机理研究打下基础。
1 计算模型和边界条件
计算模型
图1表示本文研究的二维后向台阶流动的计算区域。数值模型采用笛卡儿直角坐标系统,坐标原点位于台阶垂直壁面和下游底面的交点处,沿着流体流动方向为x方向,垂直于流体流动方向为y方向。
在模拟台阶流时,平板间高度H,台阶上游进口长度L0=,台阶下游出口长度L=20H,台阶高度S为特征长度,Re的范围为100-250。
图1 计算区域
进口边界:假设入口处流体进口温度Tin=10℃,下游壁面温度恒定Tw为40℃,其余壁面为绝热。
在上游进口x/H=-,流体充分发展区,速度为抛物线分布,用式(5)表示。
, (5)
式中:
出口边界:计算区域出口边界的速度和温度场被认为符合边界层条件[6-8]。
壁面边界:台阶所有壁面速