射流纵向涡强化换热的数值模拟

ISSN 10000054 清华大学学报 ( 自然科学版 ) 2004 年 第 44 卷 第 11 期 CN 11-2223/ N J Ts in gh ua U niv ( Sci & Tech) , 2004, V ol. 44, N o. 11
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射流纵向涡强化换热的数值模拟
2. 2 换热强化的场协同分析 场协同原理从能量方程出发, 重新审视了热量 输运的物理机制 , 把对流换热比拟为有内热源的导 热过程 , 并指出热源强度不仅取决于流体的速度和 物性, 还取决于流速和热流矢量的协同。 尽管场协同 原理最初是针对稳态二维层流边界层流动提出的, 但可以将其推广到三维的情形。在本文矩形通道内 的对流换热空间 上对能量方程进行体积分: T dV = 2. 3 射流角对通道内流动和换热性能的影响 图 5 是射流角不同时沿流向壁面摩擦因数 和 局部 N u 数的分布, 其中 0 对应无射流工况。射流 角 不 同 时, 增 加 的 最 大 幅 度 几 乎 相 同, 约 为 120% , 纵向涡的影响区域随射流角增大而减小。 在 = 0° 时局部 N u 数最大值比无射流理论值约提高 83% , 且纵向涡强化换热的影响区域也较大。 随着 的增大 , 强化效果减弱, 影响区域减小, 局部 N u 数 最大 值 在 = 30 ° 和 = 45° 时分 别 只 提高 40% 和 10% 。 这也说明 , 本文选取的射流流量是合适的, 射 流温度对局部平均温差的干扰也是很小的 , 换热强 化的效果主要由纵向涡的强弱来决定。
图 4 = 0 ° 时通道截面平均量纲一化源项沿流向的变化
∫
cp U
∫
k ∫
( k T ) dV ,
( 8)
式中 V 为对流换热空间 式 , 右端可变换成
的体积。根据 Gauss 公
∫
式中:
( k T ) dV =
T ndS .
( 9)
为对流换热界面, n 为界面法线方向的单
位矢量, S 表示界面面积。由于沿流体流动方向的 导 热 与 通 过 壁 面 的 导 热 相 比 可 以 忽 略, 因 此 k ∫ T・ nd S 代表了通过壁面的导热量。 以 U= U / um , T= D -= T / ( T w - T m ) , dV T dV,
为了对这一新型换热强化方法有更 深入的了 解, 本文利用数值方法研究了矩形通道内射流纵向 涡对流动和换热性能的影响 , 并运用场协同原理 对强化机理进行了分析。
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1 模型及数值方法
1. 1 模型描述 本文所研究的矩形通道如图 1 所示 , 管长 L = 1 m , 截面为正方形, 边长 D = 10 mm 。 主流速度沿 x 方向 , 在矩形通道底部坐标原点处射入两股射流, 射 流的速度矢量 控制在 yOz 平面内 , 以 y 轴为对 称 轴, 与 y 轴的夹角为 ; 开设的射流孔为并排的两个
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Numerical simul ation of heat transfer enhancement by jetinduced longitudinal vortices
ZH OU Dong, R EN Jianxun ( Key L aboratory of Enhanced Heat Transfer and Energy Conservation of the Ministry of Education, Department of Engineering Mechanics, Tsinghua University, Beijing 100084, China) Abstract : T he heat t ransfer enhancement due t o longit udinal vort ices induced by jet s was analyzed numerically f or st eady-st at e, incompressible lam in ar flow in a th ree-dimensional rect angular channel w ith j et s ent ering th rough t he bot t om w all. The velocit y and t emperature f ields w ere obt ained along w ith t he local N usselt numbers along th e flow direction as a f unct ion of jet angle. Th e field coordinat ion principle w as used to explain th e heat t ran sfer enhancem ent by th e jet -induced longit udinal vort ices analyzed. T he result s show that t he longit udinal vortices improve t he coordinat ion bet w een t he velocit y and temperat ure f ields in t he ch annel w hich enhances t he convective heat t ransfer. Bet t er enh ancement is achieved w hen t he jet s are norm al to the f low . Key words: h eat transfer; longit udinal vort ex; jet ; laminar flow
图 1 射流纵向涡发生示意图
看出 , 计算程序的精度可以保证。 矩形通道内保持主流 Rey nolds 数 Re 0= 160 不 变。很明显, 射流速度越大, 对纵向涡的诱导作用越 强。但是 , 由于射入的流体温度与壁温相同, 过大的 射入流量也将对流体的局部平均温度造成较大的干 扰, 使局部平均温差降低、 换热系数增大 , 这样反而 不能说明纵向涡的强化换热效果。 因此 , 本文选取射 流速度大小为 1 m / s, 约为主流平均速度的 4 倍, 此 时射流的流量约为主流的 4% 。为了研究射流方向 对流动和换热性能的影响 , 本文计算了射流角 为 0° 、30° 、45° 和 60° 的不同工况 .
收稿日期 : 2004-02-13
已有的一些研究表明 , 利用纵向涡来控制近壁 流 动 和 换 热 过 程 是 一 种有 效 的 强 化 换 热 方 法。 Eibeck 等 和 Pauley 等对嵌入单侧壁面的翼形纵
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基金项目 : 国家 “ 九七三”重点基础研究项目 ( G 2000026301) 作者简介 : 周冬 ( 1980-) , 男 ( 汉 ) , 湖北 , 硕士研生。 通讯联系人 : 任建勋 , 副教授 , E-mail: rjx@ t singhua. edu. cn
介质为常物性不可压缩流体, 通道内的流动为 层流, 壁面温度高于流体温度, 不考虑重力作用。射 流入口处通道内的速度场、 温度场均已充分发展。 描述整个通道内的 流动和换热过程的控制方 程为: U = 0, U U= cp U p+
2 2
( 1) U, ( 2) ( 3) T.
T = k
式中: U 为速度 , 为体积质量 , p 为压力 , 为粘 性系数 , cp 为比热容 , T 为温度 , k 为导热系数。 计算区域入口边界条件为 u = u0 , v = w = 0, T = T 0 , ( 4) 式中 u 、 v、 w 分别为 U 在 x 、y 、 z 方向上的分量 ; 出口边界条件为 T / x = 0, 壁面边界条件为 u = v = w = 0, T = T w ; 射流入口边界条件为 u = 0, v = v , w = w , T = T .
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清 华 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版)
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-・ 变点 , 可以看出 , 截面平均量纲一化源项 U
T与
局部 N u 数的变化规律基本吻合 , 而且局部截面平 均源项的最大值比无射流时提高 80% 左右 , 这与局 部 N u 数最大值提高的幅度也是一致的。
图 3 通道沿流向不同位置的壁面局部 Nu 数的分布
jet jet w
2 模拟结果及讨论
2. 1 纵向涡的形成及其对换热的强化 图 2 是射流角 = 0° 时, 不同截面的流场和等温 线的变化情况。可以看出 , 射流的引入 , 使得原来已 充分发展的速度边界层发生改变 , 产生了与主流方 向垂直的二次流动, 形成了纵向涡 , 加强了流体的径 向混合。 纵向涡是三维方向的螺旋结构 , 能不断向下 游发展 , 但由于阻力的存在而最终逐渐消失。 图3给 出了沿流向不同位置的通道内壁面局部 N u 数的分 布, 其中 N u0 对应无射流工况。可以看出, 纵向涡使 射流入口下游壁面的换热都得到不同程度的强化。 局部 N u 数最大可以提高约 83% , 其最高值并没有 出现在射流入口 x / d = 0 处 , 而是在其下游 x / d = 7 处, 这是因为纵向涡的形成需要一定时间。
周 冬 , 任建勋
( 清华大学 工程力学系, 传热强化与过程节能教育部重点实验室, 北京 100084)
摘 要 : 为 研究射 流引起 的纵向涡 对流动 和换热 性能的 影 响 , 采用数值方法模拟了三维矩形通道内有射流从底面 进入 时的 定常、 不 可压层流 对流换热 , 得到了 纵向涡影 响下的 速 度场和温度场以及沿流动方向局部 Nusselt 数的分布。 以场 协同 原理为指导 , 分析 了射流纵向 涡强化换 热的原 因 , 并 进 一步研究了射流角对纵向涡的换热强化 效果的影响。 结果表 明 : 纵向涡改善了通道内 速度场和温度场的 协同关系 , 强化 了对流换热 ; 射流垂直底 面入射时 , 纵向涡的换热强化 效果 较好。 关键词 : 换热 ; 纵向涡 ; 射流 ; 层流 中图分类号 : T K 124 文章编号 : 10000054( 2004) 11-152004 文献标识码 : A