多孔紊动射流的数值模拟与实验研究进展_芦绮玲

多孔紊动射流的数值模拟与实验研究进展芦绮玲1,2,陈　刚1(11西安理工大学水利水电学院,陕西西安　710048;21山西省水利水电科学研究院,山西太原　030002)摘要:多孔射流作为流体运动的一种重要类型,在工程中具有非常广泛的用途。

由于多孔射流各股水流之间的卷吸和掺混的存在,增加了流场的复杂性。

长期以来研究人员从理论分析、实验测量和数值模拟方面对多孔紊动射流进行了大量的研究工作,目前已经认识了流场中的许多流动特性和流动机理。

从数值模拟和实验研究两个方面,比较分析了国内外多孔紊动射流的研究现状和研究结果,评述了不同湍流模型以及不同实验测量方法对紊动射流的预测能力,讨论了存在的问题并对该领域的研究方向进行了展望。

关　键　词:多孔紊动射流;湍流模型;数值模拟;实验研究;进展中图分类号:T V135;G 353111 文献标识码:A 文章编号:100126791(2008)0120137210收稿日期:2006212226基金项目:山西省科学技术厅科技攻关项目(041086)作者简介:芦绮玲(1965-),女,山西万荣人,教授级高级工程师,博士研究生,主要从事水力学、河流动力学等研究。

E 2mail :lu -qiling @1631com一股流体从几何尺寸远小于收纳流体所占空间尺寸的喷口流入收纳流体,并同其混合的流动状态,叫做射流。

多股射流则是指多个按一定的方式摆放的排泄口喷出流入周围另一流体域内运动的多股流体,最终混为一股流向下游。

多孔射流与单孔射流的主要区别是孔间射流喷出后在其相邻两股之间存在相互吸附效应,这一效应直接影响着流动的发生和发展,因此流场比单孔射流复杂得多。

作为流体运动的一种重要类型,多孔紊动射流的研究涉及到许多领域,对这一问题的研究具有相当高的理论和应用价值,而解决这些问题的关键,是要从理论上清楚地知道多孔紊动射流的结构以及多股射流之间是如何相互作用的。

下面针对国内外研究人员在研究多孔紊动射流问题中采用的一些数值模拟和实验研究方法和结果进行评述和分析。

1　多孔紊动射流数值方法的研究目前,用于分析和认识多孔紊动射流问题的方法主要有3种:理论分析、实验研究和数值模拟。

实验研究能综合考虑影响流动的各种因素,结果客观可靠。

虽然实验测量有投资大、结果的精度和可靠性受测量仪器和环境的影响等问题,但对于复杂的多孔紊动射流问题,目前难以用理论计算解决时,它仍然是分析问题的一个重要途径。

在数值模拟方面,数值模拟分析即计算流体力学(CFD )方法具有投资小和精度易于提高等特点,是一种研究流体流动的有效方法。

因此,随着计算机水平和计算技术的不断发展,用数值方法研究流动与传热,已成为当前国际上最活跃的研究领域之一。

而且CFD 的兴起促进了实验研究和理论分析方法的发展,为简化流动模型提供了更多的依据,使得很多分析方法得到完善和发展,它可以在非常广泛的流动参数范围内,对所有的流场参数进行定量的分析,而这往往是采用实验手段和理论分析所无法做到的。

同时由于数值解是与具体问题有关的,这就需要有与特定的流动结构相对应的可靠实验数据才能对湍流模型的有效性进行直接的评价,这对实验测量和数值计算结果之间的相互验证以及对湍流模型有效性的评价是非常有益的。

第19卷第1期2008年1月 水科学进展ADVANCES I N W ATER SCIE NCE V ol 119,N o 11　Jan.,2008　831水科学进展第19卷111　国外多孔紊动射流数值模拟方法和结果分析紊动射流问题的早期数值模拟是基于整体化的方法和理想性假设的。

许多模型的提出是通过将三维问题简化为二维问题,然后再对流场进行求解。

但事实上,多孔紊动射流具有强三维流动特性,其各股之间都存在相互吸附的效应(C oanna效应),一些研究也通过求解全三维N2S方程数值解来获得更详细的流场信息。

后期的计算是通过标准的k2ε模型或其改进形式来求解的。

R1K nystautas[1]采用二维积分模式对一列均匀排列圆孔射流混合后区的时均特性进行了分析,但对混合区没作细致的探讨。

A1K rothapalli[2]对一列均匀排列矩形射流进行了研究,假定混合后按二维处理,给出了一些较为理想的结果,但对各孔射流之间的相互影响未作探讨。

Leschziner和R odi[3]用标准的模型,流线曲率修正模式和耗散率修正模式对双孔射流进行了吸附区的数值模拟,并用混合中心迎风差分格式(C UDS),混合中心非对称格式(CS UDS)和二次格式(QUDS)三种差分格式进行数值计算,但计算结果与实验资料吻合并不理想。

H ong和Chuang[4]应用湍流的动力学理论对双股平面射流进行了数值模拟。

所用的湍流数学模型,不是常规的涡粘性系数模型,而是建立速度空间的概率密度函数的系综平均模型。

Chuang等[5]采用标准k2ε紊流模型数值模拟了二维双股气体冲击射流的流场。

Barata等[6]用标准k2ε紊流模型、QUICK格式及混合格式模拟了双股水射流对横流的冲击问题。

文献[7]也利用k2ε模型并结合3种差分格式计算了三维定常横向紊动射流流场,数值计算结果显示出了二次流结构,得到了多股射流情况下的不可压流场,并给出了理想射流孔的位置,以及入射角度越小冷却效率越高的结论。

虽然目前广泛地应用于工程计算中的湍流模型通常是标准k2ε双方程模型,并取得了令人满意的结果,但由于ε方程精度不够,对时均应变率较大的流动,如回流、漩流及分离流等难以预测,所以,仍有很多学者尝试着采用新的改进模型来模拟这一问题,以期望得到更为精确的结果。

为了解决k2ε模型和壁面函数法求解紊动射流问题时所遇到的精度不高的问题,尤其是无法准确预报近壁区的流动和换热等问题,Lakeha[8,9]Theodoridis等[10]在标准模型的基础上,结合壁面函数法,通过各向异性的涡黏假设修正了二阶湍流应力,对AG T B叶片周围的流场进行了计算。

虽然计算结果与实验结果更为接近了,但是各向异性的修正并没有对吸力面上的流场结果作出准确的预测,因此他们对模型进行了进一步的修正, R odi等[11]首先采用了低Re数k2ε模型对壁面附近的流场进行计算,但近壁区结果的精度仍然不高,最后他们又将流场分成近壁区和主流区,采用两层模型分别进行计算,即对壁面附近勃性较大的区域采用一方程模型求解,对主流区采用标准k2ε模型进行求解,而控制方程中的扩散系数则是通过各向异性假设修正的,这样的计算结果与实验结果吻合较好。

Azzi和Lakehal在文献[12]中将文献[11]中所采用的模型和代数应力模型在求解横向紊动射流问题中的能力进行了比较:前者是基于各向异性涡黏假设的模型,后者模型是利用二阶矩封闭的、显式非线性代数应力模型。

从计算结果的比较可以看出,第一种模型在预测纵向温度场时更为准确,而代数应力模型的结果则扩大了流动中二次流的范围,与实验结果也有一定的偏差。

另外基于雷诺应力代数表达式的各向异性假设模型也逐渐应用到研究中[13,14],在与标准k2ε模型计算结果进行比较后,笔者发现,利用这种改进模型所得到的数值解,只是对于某些R(射流与主气流速度比)值的结果比标准k2ε模型相对理想。

Walter和Leylek[15]利用雷诺应力模型对三维横向紊动射流问题进行了模拟,但其结果显示,雷诺应力模型在预测横向紊动射流问题时,并不比基于涡黏假设的湍流模型好。

G arg和Ameri[16,17]利用Baldwin2Lomax模型和各种基于涡黏假设的双方程模型对叶片周围的流场进行了计算,并得出了一些参数对速度场和温度场的影响,同样,其结果也并没有显示出各种模型预测能力有明显的不同。

文献[18]采用标准k2ε模型和雷诺应力模型对半约束型多孔紊动射流的流动和传热特性进行了模拟计算,在雷诺数一定的情况下,对射流和横流的均衡和不均衡的温度分布下的各种流动参数和几何参数进行了评价。

计算得出了沿着碰撞表面的Nusselt数的分布,模拟结果表明碰撞传热率由于横流的作用而大大减小,射流和横流间的温度差异对所研究参数的变化范围只有相对微小的影响。

虽然到目前为止,并没有清楚的数值计算结果表明哪种模型更适用于这类问题的计算,研究人员仍在对此做着不懈的努力。

K im 和Bens on [19]尝试改进了湍流模型,引入了在流动中变化的湍流时间尺度,采用了多重时间尺度M 2S 模型计算了多股射流的流场,而且在这种数值计算方法中,考虑了射流喷管内部的流动情况,这样的处理方式使射流出口处的边界条件更合理,也更接近工程实际中的流动,从而提高了计算的准确度。

利用M 2S 模型所得的速度和浓度曲线与实验结果吻合得很好,而对湍动能预测的结果与实验值相差较大,说明此种方法对横向紊动射流的平均流动特性预测比较好。

计算结果也清楚地显示出了马蹄涡和反向涡旋对,并指出马蹄涡产生于射流出口的迎风侧。

大多数的计算并没有考虑射流喷管内的流动,都是直接在射流出口边界给出确定的速度边界条件,事实上,这部分的流动也是很重要的,所以G arg 和Rigby 在文献[20]中考虑了喷管内的流动,计算结果表明射流喷管出口处的流动对主气流区域影响较大,在这一区域内,射流与横流的相互掺混剧烈,在压力的作用下,导致了流动有向喷管内运动的趋势。

所以在数值模拟过程中,必须考虑到射流喷管内的流动。

文献[21]用基于控制体的有限差分方法对一排射流横向喷入管流的流场进行了数值分析,建立了流场温度分布和上游流动条件及几何参数的关系。

发现射流喷射深度与动压比除以喷嘴数的平方之间的关系可用一个对数函数很好地描述,给出了适于最佳混合的喷射深度和喷嘴间距,提出了可用于结构初步设计的程序。

当人们将注意力更多地集中在大尺度结构对流场的影响上时,多孔紊动射流中仍有许多问题是我们不清楚的。

虽然以往的数值计算结果提供了很多流场信息,但大部分模拟结果不能完全再现各个时刻的流动过程。

随着计算机内存的不断增加,研究人员可以对流动随时间而变化的过程进行精确的数值模拟。

Seonghyeon [22]应用直接数值模拟技术模拟了二维和二维横向紊动射流问题随时间的演化过程,给出了流动中反向涡旋对和尾迹涡这样大尺度涡结构的演变过程,但结果没有求解出流场中各种尺度涡的运动变化过程,从而影响了计算的精度。

Jones 和Wille [23]对横向紊动射流流场进行了大涡模拟,利用近似的壁面边界层代替求解湍流壁面边界层,这给计算带来了相对较大的不精确性,从而很难评价他们所用方法的优劣。

Y uan 等[24]也利用大涡模拟对流场进行了计算,重点研究了流动中大尺度涡结构的发展过程,以及这些结构特征对湍流统计规律的影响,并给出了平均速度场、湍动能以及雷诺应力等量的发展变化过程。