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沟槽结构参数对湍流Taylor-Couette流动及其换热特性影响的研究

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本文在国家自然科学基金项目(No.51676086)以及江苏省自然基金资助项目（BK.20161351）资助下，研究了沟槽结构参数对湍流 Taylor-Couette 流流场分布及其换热特性的影响规律，研究该种流动有利于相关机械的结构优化设计。 本文采用PIV(Particle Image Velocimetry)测试了实验模型在不同工况下的流场分布，将其与数值模拟结果进行对比分析，以此为基础获得合适的局部时均化模型，建立了可准确模拟环隙内湍流流场的数值模拟方法。重点研究等温工况和非等温工况下，不同沟槽结构参数模型内的流场分布及其换热特性，掌握了沟槽结构参数对环隙内流场及其传热性能的影响规律，主要成果如下： 1. 采用 PIV 方法测量环隙内流场分布，研究了湍流 Taylor-Couette 流的流场特性，基于网格无关性验证选取合适的网格布置，并将实验结果与数值模拟结果进行对比，建立适合的数值模拟方法。 2. 在等温工况时，旋转内壁面导致环隙内形成泰勒涡，壁面流体通过射流将动能传递给整个环隙流场。湍流泰勒涡流会影响环隙内各物理量的分布：剪切力、湍流强度及径向速度均呈现周期性波动，且随雷诺数增大，不同周期间的差异逐渐增大。沟槽区域形成的小尺度涡能促进环隙与沟槽区域的流体交换。在一定范围内，内外壁面间的射流强度随沟槽数量和沟槽宽度的增加而增强。 3. 在非等温工况时，模型内流体的换热方式为热对流与热传导并存且热对流占主导。沟槽结构参数对流场分布、模型换热性能有明显影响：当沟槽宽度、数量增加时，环隙中间位置的径向速度变大，模型的换热性能变强。沟槽宽度的增加能增强模型的换热能力是由于主流区域流体的影响变大及撞击点变浅；而沟槽数量的增加能增强模型的换热能力是因为撞击点变浅及流体因粘性力、摩擦力引起的损耗变小。相比于沟槽数量，沟槽宽度的影响更为明显。 4. 通过响应面方法对沟槽结构参数进行优化，得到目标函数的回归方程，结果表明：在研究范围内，沟槽数量、无量纲沟槽宽度、内壁面旋转雷诺数及流体普朗特数对内壁面平均努塞尔数均有影响，但雷诺数的影响最为明显，沟槽宽度其次，沟槽数量与流体普朗特数的影响较小。优化后的模型的换热性能相比于原模型提升27%左右。

著录项

  • 作者

    丁仕成;

  • 作者单位

    江苏大学;

  • 授予单位 江苏大学;
  • 学科 动力工程及工程热物理
  • 授予学位 硕士
  • 导师姓名 刘栋;
  • 年度 2018
  • 页码
  • 总页数
  • 原文格式 PDF
  • 正文语种 中文
  • 中图分类
  • 关键词

    沟槽; 结构参数; 湍流; Taylor-Couette流; 换热;

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