【摘 要】
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贴壁射流作为自然界常见的流动现象,广泛应用于车窗除雾、电子元器件的冷却以及机翼除霜等工程应用中。在过去,在贴壁射流湍流充分发展区域,前人针对各种壁面热边界条件对贴壁射流传热特性的影响已经进行了大量的实验以及数值模拟相关研究,但这些研究主要集中在射流无量纲流向x/h>30的位置,此时的射流已经充分发展。而针对未完全发展的射流流场及其传热特性,还尚未有学者展开深入的数值模拟研究,本文结合R.S.Abd
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贴壁射流作为自然界常见的流动现象,广泛应用于车窗除雾、电子元器件的冷却以及机翼除霜等工程应用中。在过去,在贴壁射流湍流充分发展区域,前人针对各种壁面热边界条件对贴壁射流传热特性的影响已经进行了大量的实验以及数值模拟相关研究,但这些研究主要集中在射流无量纲流向x/h>30的位置,此时的射流已经充分发展。而针对未完全发展的射流流场及其传热特性,还尚未有学者展开深入的数值模拟研究,本文结合R.S.Abdul Nour等人提供的实验数据,使用六种低雷诺数k-ε模型对存在边界层转捩的贴壁射流现象的流场以及温度场进行了深入的数值模拟研究。在两股存在温差的流体交汇区,会产生一个与背景流动方向相反的浮升作用力,同时该处温度随时间的变化是高度波动的,因此存在温差与浮升力的贴壁射流现象的数值模拟在工程研究领域一直是一个挑战,在此之前相关的数值模拟研究文献较少。本文针对存在温差与浮升力的贴壁射流不同流域的流动特征选择了改进后的RNG k-ε模型和Realizable k-ε模型以及低雷诺数系列k-ε模型对其进行了数值模拟研究,并根据计算结果对各个湍流模型做出评价,以期为相关的工程研究领域提供参考依据。为了研究冲击射流现象带来的局部高传热效益,有不少学者利用数值模拟手段对其进行了研究,在雷诺数较大,宽度纵横比较小的工况下,计算得到的流向努塞尔数与实验始终存在一定偏差。针对这一问题,为了得到更加准确的温度场,本文在传统的温度场求解方法上进行了探讨与改进,针对其中关键的湍流热扩散系数,利用湍流普朗数经验式与t2-εt控制方程分别进行求解,并将其得到的结果与传统的湍流普朗特常数结果进行了对比,在此基础上本文还进一步探究了湍流模型常系数,湍流时间尺度以及湍流耗散率对对传热计算结果的影响。根据上述三种典型贴壁射流现象的计算结果,最终得到以下结论。在对存在边界层转捩的贴壁射流现象的数值模拟中,采用增强型壁面函数的标准k-ε模型与CHC、AB模型,对于贴壁射流进入自适应区后的主流区无量纲速度场的计算结果有着一定的准确性和工程应用价值,但不适用于初期边界层转捩前的流场与温度场计算。由于LB与LS模型中的阻尼函数fμ不满足壁面限定条件,会给近壁面流场与传热的计算结果带来不利影响。AKN模型对动量边界层与热边界层的模拟准确度较高,能够准确地预测边界层层流向湍流的转捩位置。在对于平板贴壁射流传热的数值计算中,建议采用AKN模型。存在浮升力作用的贴壁射流现象中,k-ε系列的RANS模型可以给出等温流动工况下准确的流场分布,其中LS模型在湍流控制方程中添加了额外的源项,对湍流粘度做了修正,能给出最接近实验数据的流场结果。YS模型由于阻尼函数f1小于1,使得修正后得到湍流耗散较小,计算结果同实验存在较大的误差。在存在浮升力的工况中,k-ε系列的RANS模型由于其时均化以及各向同性耗散的模型特性,无法准确预测非稳态湍流现象的混合区的流场速度分布。同时由于实验条件无法做到完全绝热以及使用了湍流普朗特数假设,计算得到的贴壁射流区及混合区的温度场分布也与实验数据存在较大偏差。在使用低雷诺数k-ε模型计算冲击射流传热的数值模拟中,对于湍流热扩散系数的求解建议使用Kay等人提出的湍流普朗特数关系式。虽然t2-εt方程直接求解湍流热扩散系数克服了湍流普朗特数的不确定性,且不受雷诺近似假设的影响,但对于理论日益成熟低雷诺数k-ε模型而言,仍需进一步改进。在雷诺数较大宽度纵横比较小的工况中,AB模型建议仍然使用原标准k-ε模型的模型常数。在保证修正湍流耗散率(?)~代码正确的情况下,在雷诺数较低宽度纵横比较大的工况中,LS模型能给出与实验数据趋势大致相近的流向努塞尔数曲线。
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