《恒热流条件下锯齿型通道流动和换热的非稳态特性研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《恒热流条件下锯齿型通道流动和换热的非稳态特性研究（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、中国工程热物理学会 拳术会议论文 恒：热流 传热传质学 编号：0 7 3 3 6 6 条件下锯齿型通道流动和换热 的非稳态特性研究 ( 上海理工大学动力学院上海市军工路5 1 6 号2 0 0 0 9 3 ) T e l ：0 21 5 5 2 7 1 9 9 0 E m a i l ：r o s e _ l u u c i t i z - n e t 董晶瑾卢玫杨茉李凌 1 引言 具有周期性几何结构特点的流道，其在主流方向的凸出部分对流体流动会产生扰 动，从而强化换热。P a t a I l l ( a r 【l 】等提出的沿通道几何周期存在周期性充分发展的概念使具 有这类几何结构特点的数值
2、模拟计算工作量大大减少。由于周期性通道内的流动和换热 在一定的参数条件下会因为绕流而促使流动和换热随时间发生振荡，因而近年来已有研 究者采用非稳态模型对其进行数值模拟【2 j 。具有周期性结构特点的通道内流动与换热在 出现了非稳特性后，其流动和换热在入口段后是否还具有周期性充分发展的特点是一个 值得探讨的问题。李凌等【3 j 曾数值模拟研究了矩形通道内对流换热的周期性充分发展特 性：笔者也曾对恒壁温条件下的锯齿形通道内周期性充分发展的流动与换热进行过数值 模拟。舢，研究结果表明在入口段后各几何周期的流场和温度场随时间的振荡虽然不完全 同步，但振荡幅度以及在一段时间内的平均值也基本相同。本文则是
3、在前期工作的基础 a 上仍以锯齿型通道为研究对象，进一步研究在恒热流边界条件下流动和换热的非稳 态特性以及在出现非稳态特性后其流动和换热是否具有周期性充分发展的特征。 2 物理问题及数学模型 本文研究的流动通道可简化为如图1 所示的 通道这种锯齿型通道具有周期性结构特点。入8 n 口速度和温度均匀的流体从通道左侧流入，受通 道上下两侧壁面均匀热流( g = 常数) 加热后从右 k么滁夕N ! ，I 一 图l 计算模型示意图 侧流出。为计算方便，计算区域取为矩形区域，流体在锯齿型通道内流动，流道外为固 体区域。图中的是锯齿形通道一个周期的长度，G 是锯齿通道与z 轴的夹角，6 为通 道的在y 方
4、向的间距。本文计算中通道长度取1 2 个周期。 计算采用二维层流非稳态模型，计算中工质物性参数取为常数，出口采用了局部单 向化假设。在此条件下，描述这一流动和换热问题的控制方程组( 质量方程、动量方程 和能量方程) 及边界条件如下： 坐+ ! 兰：of 1 1 a 0 y 型+ u 型村一型：一竺+ 一! 昙娶+ ! 马 ( 2 ) 一一一+ o 一一+ f ，= 一+ ( 一一i + 一 厶， a F0 x0 Ya x心? 孤i0 Y 2 。 里+ 些十jr 娄一等+ 当( ；姜十霎羔) ( 3 ) e Fe Xe Y0 YR e ? a ) ( i 0 y 。 塑+ u 里“t 婴：上(
5、娶+ 娶) ( 4 )+ U + ；= ( 4 7J叶， a Fa 。Va yR oP r 、a 2a r 2 基金项目：国家自然科学基金项目( N o5 0 4 7 6 0 8 0 ) ，上海市教委发展基金项目( 0 5 E Z l 7 ) 1 3 8 5 义= 0 ：U = l0 ，= 0 ， 7 7 0 妊1 2 三缈：a U 踏= 0 。矿= O ，a F 讶= 0 y = O ： U = 0 ， 矿= 0 ； 】，= 跏D ： U = O ， y = O ； 式中无量纲参数定义如下：梏r ，D ，踟j 己砖“觑o ，胯W “o ，P i ( p 甜0 2 ) ，“o 为截面 的平均流
6、速，心= “o ) y ，无量纲时间尽：u ot 佃，本文取D ：2 玑 恒热流边界条件采用附加热源项法处理，即对于与固体相邻的流体网格在方程( 4 ) 中 附加个效果与恒热流边界条件相同的热源项矽。d = g “p c 蛳D ，y 网格在y 方向的 间距：而在与流体相邻的固体网格，设置热扩散系数为零。数值计算方法为基于原始变 量的有限差分法，对流扩散项用Q U I C K 差分格式，并用S I M P L E 方法处理压力与速度 的耦合。 3 计算结果讨论 本文研究的通道几何结构参数为三佑= 6 6 2 3 2 ，a = 2 0 0 。计算中取n 数为0 7 ，m 数分别为6 5 0 、7
7、0 0 和7 5 0 ，附加热源项。d 取8 4 。无因次时间步长取O ，0 0 5 。 本文计算中，R e 数、局部A 数、一个几何周期的平均 & 数以及A 及数在一段无 因次时间内的平均值丽分别定义为：R e = 竽，。：华，M = M ；必拭， y ：f 丽= ( 胁廿) ，其中矗，= g ，姬1 一瓦，) ，瓦为流体截面平均温度。 ( 1 ) 流动和换热的非稳态特性 u 1p 椰州删脚心州 R e = 6 5 0 。 靠 者嘻产导茜椭 u ，肇、从A 圳4 M M M 触M 舢V 脚枷M l 脚 鼬一 。 、 喘 u i _ 删脚删删嬲 。5 R e = 7 5 0 。 气 气 吲厂q
8、 F 图2U ( 4 8 ，3 5 ) 随F 变化曲线( N o )图3 N u 随F 变化曲线( N o 1 1 ) 图2 所示为尺萨6 5 0 、7 0 0 和7 5 0 时N o 1 l 几何周期职4 8 ，3 8 ) 随，变化曲线，图3 为 相同条件书N o1 l 几何周期的平均M 数随F 变化曲线。显然在所计算的尺e 数工况下， 流动和换热都出现了随时间振荡的非稳态特性，振荡幅度随R e 的增大有所增大，而且 对于同一心数，在相同的时间段内，流动和换热的振荡次数相同。 1 3 8 6 F = 8 ( jO F = 8 05 6 F = 81 ，1 2 F = 8 l6 9 图4 R
9、e = 7 5 0 、第1 0 周期的温度场 V O 91 1 U 1 3 图5 U V 速度相图 1 5 计算结果表明，流体在锯齿型通道中流动时产生漩涡的位置是随时间发生变化的， 对应的湿度场也随时间发生变化。图4 所示为船= 7 5 0 、N o 1 0 周期、f 分别为8 0 0 、8 0 5 6 、 8 1 1 2 和8 1 6 9 时的温度场( n 。可以看出，温度场在不同时刻是不相同的，但比较辟8 0 O 和8 i 6 时刻的温度场，其温度分布几乎一致。这一时间间隔与图2 、图3 对应工况的( ，、 M z 曲线随时间振荡的时间间隔是一致的。 为了研究锯齿型通道中流动和换热随时间变
10、化的特性，将尺g = 7 5 0 ，N o 1 l 周期中的 ( 吖4 8 3 8 ) 和W 4 8 ，3 8 ) 在卢= 6 0 8 0 时间段内的计算值绘制成速度相图，如图5 所示，将对 应点的温度矽= 二兀和N o 1 l 周期的平均7 I 数绘制成舶z 相图( 图5 所示) 。对照图2 、 图3 可以看出，在，兰6 8 0 时间段内，流动和换热随时间振荡近1 2 次，但其在盼y 相 图和疗M z 相图上几乎都重叠在一起，这说明在恒热流边界条件下，当锯齿型通道中流 动和换热出现非稳态特性后，流动和换热随时间作周期性变化。 ( 2 ) 周期性充分发展 3 0 N u 。；： 0 4 5 0
11、 T 3 0 0 1 5 0 O Ol O v 2 0 3 0 O 蚓8T W 沿流动方向变化曲线 4 0 本文以R P = 7 5 0 工 况为例分析研究周期 性通道在流动和换热 出现非稳态特性后的 周期性充分发展问题。 与恒壁温边界条 件类似，局部M l 数沿 流动方向是变化的图 7 所示为通道上下壁面 的局部m f 数随X 的变 化曲线，图8 为对应工 况通道上下壁温T w 及 流体截面平均温度瓦随X 的变化曲线，其中1 表示下壁面，2 表示上壁面。同一位置X 1 3 8 7 2 2 4 1 1 O 1 l LN 处，上下壁面的局部N u 数不同，而热流密度相同，故导致同一位置X 处上下
12、壁温不同。 图9 、图1 0 分别给出了F = 7 5 8 0 ，N o 1 l 和N o 1 2 两个周期对应某点的速度U 和 温度护= 正瓦曲线，可以看出两个周期的曲线基本相同，只是不同步。图1 1 、图1 2 与图 5 、图6 对应，不同的是将N o ，1 1 和N o 1 2 两个周期对应点相图绘制在起，可以看出 两个周期的相图基本重合。 2 2 N 0 1 l 1 8 U 1 4 l 7 57 67 7 D 7 8 7 9 8 0 图9 ，速度E ，( n 曲线 3 0 2 0 0 l O O 一1 0 2 0 7 57 67 7 R 7 8 7 98 0 l 图1 0 温度口( n
13、 曲线 ( ) 91 1 ， 1 31 5 2 01 0O 。1 0 2 03 0 图n N ol l 、N o 1 2 周期U v 速度相图 图1 2N o1 1 、N o1 2 周期9 一N u 速度相图 多冬迤囔寨警爨时通翼茧篱篙黻荡 ( 护= 弘瓦) ，可以看出这三个 周期的温度场也近似相同。 以上结果表明在流动和 图l j R e 2 7 5 0 、N 。l 。，1 1 ，1 2 周期的温度场 换热出现随时问振荡时，在远 离入口段后各几何周期的温度场及对应点速度U 、f 厂和温度矽等参数在同一时刻并不 完全相同但它们随时间变化的规律基本相同，相图轨迹基本相同，因此仍然具有周期 性充分
14、发展的特征。 4 结论 1 数值模拟结果表明，锯齿型通道在恒热流边界条件下，在本文计算的R e 数下流 动和换热出现了非稳态特性，其随时间的变化是周期性的。 2 锯齿型通道在流动和换热出现了非稳态特性后，在远离入口段处，其流动和换 热仍然具有周期性充分发展的特惩。 参考文献 1 】P a l a n k a rSV L i uCHa n dS p a n o wEMF u l l yD e V e l o p e dF l o wa n dH e a tT r a l l s f e rmD u c t sH a V i n g S t r e a m w i s e P 商o d i cV
15、a r i a t i o n so fC r o s s S e c t i o l l a l 时e a ，A S M BJ o fH e a tT r a l l s f e r ，l9 7 7 ，9 9 1 8 0 ，1 8 6 f 2 N e s r e e nG h a d ( k l r A 1 u n a dE 1 一H 趣j N 、l m e r i c a ls t u d yo fh e a tt r a n s f e r 趴喀l n e l l t a l i o no fv i s c o u sn o 、Vi n ，c o m l g a t e dc 1 1 a J m e l s ，H e a tT r a l l s i 、e rE 1 唔i n e c r i n g ，2 0 0 0 ，V 0 12 1 ，n o 5 ，( ) 1 4 5 7 6 3 2 ： f 3 1 李凌等周期性矩形槽通道入口流动与换热的数值分析工程热物理学报2 0 0 5 ，2 6 ( 1 ) ：1 0 1 一1 0 3 川卢玫，董晶瑾等，锯齿形通道流动与换热的周期性研究一【程热物理学报， 2 ) ( ) 7 ， 1 3 8 8 趴 厣人 2 2 4 6 l 1 O 9 l l N 2r_【_i 一一 8 6 4 2
