湍流邊界層控制對流動及換熱影響研究.pdf

1、湍流擬序結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)改變了湍流是一種完全隨機過程的傳統(tǒng)觀點，它展示了湍流表現(xiàn)的無序運動中包含的某種內(nèi)在有序性。近壁湍流的擬序結(jié)構(gòu)對邊界層阻力的形成以及流體的傳熱傳質(zhì)有著非常重要的影響，因此，很好地理解近壁湍流的擬序結(jié)構(gòu)對人們有效控制和利用湍流邊界層流動有著重要的實際意義。針對湍流的流動阻力和換熱情況，本文分別采用主動和被動控制方法對湍流邊界層進行了控制，研究了其對邊界層流動和換熱特性的影響。
　　首先，對平面槽道和波紋面槽道進行了數(shù)

2、值模擬。通過在初始流場中添加基于湍流擬序結(jié)構(gòu)的擾動來獲得充分發(fā)展湍流流場。模擬結(jié)果的流場以流向渦結(jié)構(gòu)為主，并且很好地捕捉到了典型的發(fā)卡渦結(jié)構(gòu)。對模擬結(jié)果進行統(tǒng)計平均，將統(tǒng)計結(jié)果與直接數(shù)值模擬結(jié)果以及經(jīng)驗公式計算結(jié)果進行了比較，結(jié)果吻合很好。
　　其次，采用被動控制方法對湍流邊界層流動進行控制?？刂仆ㄟ^圓孔表面、凹槽表面、基于波紋面凹槽表面、流向展向波紋表面來實現(xiàn)。在圓孔表面模型中，圓孔底層流體吸收部分來自邊界層外層動量沖擊，并使得

3、外層動量在內(nèi)層中得到緩沖，在動量傳遞過程中抑制了擬序結(jié)構(gòu)中的上揚及猝發(fā)，使得流動阻力減小。凹槽表面使得流體邊界層分離并破碎的同時產(chǎn)生了大量的誘導(dǎo)渦，以上揚和下掃為主的渦結(jié)構(gòu)改變了凹槽面附近的流動結(jié)構(gòu)。基于正弦波紋面的凹槽結(jié)構(gòu)使得流體在波谷中產(chǎn)生回流的同時伴隨大量流向渦的生成，回流及新生成的流向渦改變了壁面附近的流動結(jié)構(gòu)。流向展向波紋表面由于展向波紋的存在使得流向渦匯聚于展向的波谷中，并使得渦遠(yuǎn)離壁面。與傳統(tǒng)的波紋面相比，展向波紋的存在使

4、得流動阻力減小，綜合換熱效果提高。
　　最后，對湍流邊界層內(nèi)流動的法向和展向脈動速度進行主動控制研究。法向脈動控制抑制了對雷諾應(yīng)力貢獻較大的上揚及猝發(fā)運動，使得流動阻力降低。展向脈動速度的控制抑制了快、慢速條紋之間的相互影響，抑制條帶失穩(wěn)的同時阻止流向渦的生成，達到了減阻的目的。
　　湍流邊界層擬序結(jié)構(gòu)的基本要素是條帶結(jié)構(gòu)和渦結(jié)構(gòu)，上揚、下掃及猝發(fā)是組成擬序結(jié)構(gòu)的主要運動形式。本文研究表明：對擬序結(jié)構(gòu)中的任一事件進行控制可以