硕士研究生学位论文开题报告 管翅换热器肋侧通道内的卡门涡街特性及其对强化传热的作用

兰州交通大学硕士研究生学位论文开题报告

学号： 姓名 专业：热能工程 导师姓名及职称： 1. 拟选论文题目： 管翅换热器肋侧通道内的卡门涡街特性及其对强化传热的作用 一、 开题报告的主要内容 1.拟选课题的选立依据 1.1研究背景 钝体绕流问题是一个经典的流体力学问题并有很广泛的工业应用，这类问题常见的有水流对桥墩的作用，气体经过冷凝器中的排管以及飞行器上的柱体等等。其蕴含的丰富的流动现象和深刻的物理机理，长久以来都是众多理论分析、实验研究以及数值模拟的研究对象。 在圆柱绕流（如图1）问题中，流体边界层的分离与脱落、剪切层的流动和变化、尾迹区域的分布和变化，以及它们三者之间的相互作用等因素，以及由绕流形成的涡街的特性，使得该问题成为了一项复杂的研究课题。 图1.圆柱绕流示意图 在低马赫数时，圆柱体的周期性尾流只是雷诺数的函数。按圆柱体直径计算的雷诺数很小时，流体并不脱离圆柱表面。当雷诺数增大，紧贴圆柱背面形成一对稳定的漩涡，称之以尾涡。当雷诺数继续增大时涡旋就拉长，一直到涡旋之一脱离圆柱体。当Re=40，流场不再定常，上述涡破碎并被流体冲向下游，在圆柱两侧后方周期性地轮流有涡脱落，各自形成等间距排列的涡列，同一涡列中涡旋转方向相同，而两列涡的旋转方向相反、交替排列，这就是卡门涡街，边界层分离点的辐角为θ≈±80°。当150≤Re≤300时，层流涡街转化为湍流涡街。雷诺数大于300以后，先后经历亚临界区，临界区和超临界区。在临界区，边界层分离，转化为湍流分离θ≈±110°,涡街由规则脱落变为不规则，流动呈现混沌状态，圆柱的阻力系数急剧下降。在超临界区，湍流涡街重新建立。圆柱表面的瞬时压强分度与涡旋脱落相联系。当流体横向冲刷圆柱体时，来流作用在柱体上的作用力可分为与来流方向垂直的升力和与来流方向一致的阻力。一般的圆柱绕流的时均升力为零，时均阻力为一常数。由于涡旋规则脱落，圆柱的升力与阻力根据涡旋脱落的频率呈现出周期变化。 最近，人们对能源的开发利用与节约越来越重视，强化传热技术得到了迅速的发展和广泛的应用，绕流问题作为管翅换热器内部换热强化的有效手段引起了人们的深层次探索。因此研究圆柱绕流流动特性及强化传热机理，并对此做出准确的分析具有重大的意义。 1.2研究现状 随着流体力学理论的发展及计算机技术的日新月异的突破，计算流体力学及传热学得到了巨大的发展，数值模拟计算的结果也与实验结果之间的误差也在逐步减小。从上世纪末到本世纪初，数值计算逐步成为了工程与理论研究的主要手段。许多学者对圆柱绕流问题展开了深入的研究，计算的结果也越来越精确，从而为彻底解决圆柱绕流问题提供了希望。 对于圆柱绕流的数值研究由来已久，在1911年，Karman就使用基于非粘性方法对”Karman涡街”进行了最初的数值求解，为圆柱绕流的数值研究开了先河。Chaplin[1]等人对Re=100的均匀定常流绕圆柱体流动进行了实验，并测量出涡街的升阻力系数。随后，Younis与Chaplin[1]采用有限差分法，Chaplin[1]采用随机涡量法对其进行模拟计算，其计算结果与实验数据比较符合。休斯顿大学的Charles Dalton等[2]对稳态流（Re=13000）中的孤立圆柱的涡街进行研究，数值求解了二维定常不可压缩流的N-S方程，计算的稳态升阻力系数与实验数据较吻合，但是对涡街的频率模拟出入较大，这是因为涡街的非定常特性决定了求解定常流场是不符合其物理本质的。E. M. SAIKI，S. BIRINGEN等[3]采用高阶有限差分及虚拟边界法对绕流问题进行模拟，计算结果与实验结果符合的相当好，进一步验证了虚拟边界法对非稳态流动的适用性。Jungwoo Kim,Dongjoo Kim等[4]采用浸入边界法[9][11][12]有效地模拟出圆柱绕流的涡街衰减过程。同年，Ming-Chih Lai，Charles S. Peskin等[5]对标准二阶精度浸入边界法与一阶精度计算结果比较表明，采用标准二阶精度浸入边界法模拟高雷诺数下的圆柱绕流是一个更好的选择。GHOZLANI Belgacem, HAFSIA Zouhaier, MAALEL Khlifa等[16]利用PHOENICS软件对二维圆柱与棱柱绕流进行了模拟比较，模拟圆柱的研究结果与实验有较好的一致性，而且通过比较发现圆柱与棱柱产生的涡旋是相似的，但是棱柱的回流区较圆柱长。Q.M. Al-Mdallal[6]等在均匀定常流动（Re=300）的情况下数值求解了二维非定常N-S方程，并得出涡街涡旋脱落的频率及升阻力系数，流场的数值模拟的结果与实验结果相一致。Armando A. Soares, Nuno D. Couto[7]等数值求解了二维定常不可压缩N-S方程及能量方程研究流体的流动对水平圆柱传热的影响，总体而言，涡街增加了圆柱表面的努塞尔数和阻力系数。而Amrit Pal Singh Bhinder, Sandip Sarkar, Amaresh Dalal[8]等人在2012年的对半圆柱绕流研究也证明了这一点。而对于大雷诺数下的绕流特性，M. Sami Akoz[13]利用PIV技术准确的测量出Re=1000,3000, 5000,7000时圆柱周围的瞬时及平均速度，得出相应的流线拓扑结构、涡度轮廓、雷诺剪切应力等值线图。同时数据表明圆柱表面上的分离点及尾流区的大小是随着时间的变化而变化的。 国内对绕流问题研究较国外晚，但随着计算机技术的发展，国内外的差距在逐步减小。陶乐仁、欧阳新萍等[21]使用SIMPLER算法及交替网格技术计算了绕流半圆柱时混合对流换热的流场与速度场，结论显示在小雷诺数并有较强加热的情况下，温度场对流场的影响是不可忽略的。李光正[22]改进关于流函数—涡量方程的数值求解方法，模拟了混合对流绕圆柱涡旋脱落及其对传热的影响。王亚玲,刘应中,缪国平等[23]利用计算流体力学软件CFX-4,对粘性不可压缩流体的圆柱绕流进行了三维数值模拟,采用有限体积法和SIMPLE计算程式,利用不可压缩Navier-Stokes方程,模拟雷诺数在亚临界区内的绕流流动,并计算了流体的水动力特性.同时,对圆柱绕流进行了二维数值模拟,并与三维数值结果进行比较,发现三维模拟的升力和阻力系数均小于二维模拟.徐元利，徐元春等[24]使用计算流体力学软件Fluent，模拟Re=20,40,100时均匀来流绕固定圆柱的流动，计算结果表明：Re增加时，流动表现出一系列不同的构造。阂强利、张云海等[25]采用Fluent软件准确地模拟出圆柱绕流的三维流动涡产生的过程及流动特性，为工程应用提供了依据。宿艳彩、葛培琪等[26]基于Fluent动网格及UDF编程技术对二维流场中振动圆柱的换热特性进行 了研究分析了来流速度及圆柱振动方向对其换热特性的影响。数值计算结果表明，相比于静止圆柱换热，当圆柱的最大振动速度远大于来流速度时，其振动强化传热效果显著，随着流速的增大，振动圆柱的强化传热效果降低。 由于在工程中，单一圆柱绕流的情况存在较少，而大多数都是多圆柱下的绕流，例如换热器内流体横掠管束等。在对单一圆柱绕流问题进行大量研究的同时，人们的目光也投向了多圆柱系统的绕流。KANG XiuYing,SU YanPing等[14]采用Lattice Boltzmann(LBM)方法模拟了圆柱间距为1.5D(D为圆柱直径)的双圆柱，三圆柱及四圆柱系统。研究表明LBM方法可以准确的模拟出流场的整体特性，并与实验结果有较好的一致性。我国的胡卫华[27]使用Flunet软件对多圆柱体绕流流场进行数值模拟。得出以下结论：串联双圆柱绕流场与圆柱间距有关，并联双圆柱尾流存在反向对称涡街，斜置双圆柱与三圆柱流场存在后柱抑制前柱涡分离的现象，方形排列四圆柱流场尾涡存在非对成性。Guo HUANG,Haiming HUAN等[17]采用涡量法对不同间距的串联双圆柱系统进行分析。数据表明在双圆柱绕流系统之间存在一个临界距离，在超过这个距离时，流场将会有一个突然地变化，升阻力系数及涡频率也将会有较大的改变。而这个临界距离随着雷诺数的增加将会减小。同时Kun Luo,Jianren Fan,Ji Feng等[18]采用改进浸入边界法，I. Afgan,Y. Kahil,S等[20]采用大涡模拟(LES)方法也对不同间距并联圆柱进行模拟，得出较清晰的涡场分布图。 1.3该领域目前存在的问题 对于柱体绕流的二维平面流动，国内外众多学者无论在实验研究还是在数值模拟方面都已经进行了深入细致的研究，由于种种困难对柱体绕流后旋涡的脱落形式、以及绕流后旋涡对三维圆柱体所产生的作用力等问题的三维数值研究却很少。而对于三维圆柱绕流的研究大多数都在无限大的通道内进行研究，此时圆柱表面上的边界层可以自由发展，壁面对流场没有限制。这种在理想情况下的研究在工程中应用不大，实际情况大多都是有限制条件[19] 的绕流流动。并且大部分涡街对传热影响的研究都集中在其对沿圆管表面局部表面换热系数的强化，并没有对涡街脱体区流体的震荡对换热的影响给予足够的重视。研究有限制条件下涡街的三维流动及传热特性，找出限制条件对圆柱绕流升阻力以及卡门涡街产生、频率的影响和其之间的相互关系，是彻底解决圆柱绕流问题的新课题。 2.拟选课题的内容、目的及意义 2.1研究内容 1. 管翅换热器肋侧通道内的卡门涡街形成的条件。 2. 换热器内涡街的特性。 3. 换热器中涡街形成对传热的影响。 4. 如何有效地利用涡街对换热器进行强化。 2.2研究目的 本文的研究目的是通过对管翅换热器肋侧通道内的卡门涡街产生特性进行分析研究，模拟出在有限制条件下的涡街的特性及限制条件与涡街特性间的关系，确定涡街对换热器换热性能的影响，并对绕流脱体区的换热性能强化进行分析。利用数值模拟结果对换热器进行优化，在有限空间内只改变管束的排列及翅片的间距的情况下利用涡街的产生强化换热器的换热性能。 2.3研究意义 强化传热技术的实质是探求在消耗一定的能量条件下尽可能多地传递为某种过程所需的热量，随着工业装置的大型化和高效化，换热器也趋于大型化，并向低温差设计和低压力损失设计方向发展。通过研究换热器内卡门涡街强化传热机理，进一步对换热器结构进行改造以提高换热器的整体性能，对能源进行有效地利用，无疑是一件具有理论指导意义和工程实用价值的工作。同时使用不同的程序验证绕流问题，找出与柱体绕流流动物理性质较一致的模拟方法，为解决绕流问题提供了理论依据。 3.论文准备解决的问题 1. 选择适合的数值模拟方法及数值模拟计算区域，并建立数值模拟模型。 2. 研究卡门涡街的三维均匀定常流动特性，及其升阻力与频率的关系。 3. 在有限制情况下对限制条件对涡街的影响进行分析，包括限制条件的加强对绕流升阻力，涡街频率的影响，找出影响涡街产生限制条件的临界值。 4. 研究涡街对传热的影响，是否对单元内传热进行强化，并对涡街强度与传热特性进行分析。 5. 利用涡街对传热的影响对换热器进行改造。如果涡街强化了换热，利用这种强化作用改造换热器，增加换热。如果涡街对换热起反作用，那么分析怎么防止涡街的产生。 二、 论文工作计划 起止时间 主要内容简述 主要工作地点、方式和拟达到目的 2012.9-2012.10 2012.11-2013.1 查阅文献资料，确定论文研究方向，进行简单的可行性分析。 利用计算流体力学软件Fluent模拟圆柱绕流，提高对涡街特性的认识。并建立基本方程，完成开题报告。 完成程序的编写，确定边界条件，并调试考核比较SIMPLE、SIMPLEC及HSMAC程序，找出最优方法。 确定研究方案及研究单元，完成对研究单元的数值模拟及相关数据的处理。 图书馆、铁道车辆热工教育部重点实验室，掌握相关文献的研究内容与方法，为开题做准备。 铁道车辆热工教育部重点实验室，提高对研究项目的认识，完成开题报告。 铁道车辆热工教育部重点实验室，完成对方程、边界条件的处理及离散，找出适合圆柱绕流特性的程序方法，为论文研究提供最优数值算法。 铁道车辆热工教育部重点实验室，通过数值模拟研究结果，进行分析，初步得出的结论。 2013.2-2013.5 2013.7-2013.10 2013.11-2014.1 2014.2-2014.3 处理数据、对比数据，撰写论文。 铁道车辆热工教育部重点实验室，完成论文初稿撰写。 修改、完善论文，总结。 铁道车辆热工教育部重点实验室，论文修改，为答辩做准备。 三、 指导教师（或指导小组）意见 签名： 年 月 日 四、 考核小组意见 □通过 □不通过 考核小组成员签名： 组长签名： 年 月 日 三、 学院学位分委会意见 签名： 年 月 日 备注：该选题报告一式二份，办完所有手续后，一份各学院存档，一份交研究生学院培养办公室。 附：主要参考文献目录

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