受限空间内再生冲击射流冷却数值模拟.docVIP

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：133065 受限空间内再生冲击射流冷却数值模拟 焦亚飞，明平剑 哈尔滨工程大学 动力与能源工程学院，哈尔滨，中国，150001 联系电话：0451 E-mail: pingjianming@hrbeu.edu.cn 摘要：为了研究受限空间内射流及射流冲击壁面后产生的再生射流对底部及侧壁面的传热特性，对二维矩形空间内的射流冷却过程进行了数值模拟研究。首先利用文献中自由出口射流冷却模型考核了标准k-ε模型以及低Re数k-ε模型对射流冷却过程分析的适用性。结果显示：各种湍流模型均可以给出Nu数的分布趋势，但各种模型在精度上存在不同程度上的误差。最后，本文选择标准k-ε模型对不同参数的出口受限的射流模型进行了分析，研究了喷嘴直径D为2mm,4mm,6mm,8mm以及射流平板宽度与喷嘴到平板距离比值r/H=0.1，0.2，0.4，0.5，1/H过小时，射流平板的传热特性不佳；Nu数随着喷嘴直径的增大而增加。 关键词：冲击射流；湍流模型；低Re数k-ε模型；Nu数 0 引言 冲击射流可以在换热表面产生强烈的换热效果，目前，冲击射流已广泛应用于平板玻璃回火、金属薄板退火、纺织品或纸张干燥、燃气轮机叶片冷却以及电子器件冷却等技术中[1]。由于冲击射流在工业领域内应用的如此广泛，因此它的传热特性引起了国内外研究人员的广泛关注。在过去的三十年里，国内外的学者对单(多)相冲击射流进行了一系列的理论分析、实验研究以及数值模拟，得到了大量的研究成果。 D.Lytle和B.Webb[2]集中研究了小距离的喷嘴到射流平板的问题，他们的实验发现在驻点区域存在较强的湍流，他们认为局部传热系数的二次峰值形成归结为径向湍动能增加所致，而M.Behnia等[3]的研究也支持这种观点。马重芳[4]对二维平面射流冲击平板时的层流流动和传热给出了速度和温度边界层的综合解析，用积分方法得到了平面射流冲击传热的驻点区和部分壁面射流区的换热关系式，并将等热流壁面的分析结果与实验数据进行比较，结果基本吻合。周定伟[5]通过数值计算, 系统地研究了圆形浸没液体冲击射流下速度与压力梯度沿轴向和径向的分布情况，考虑的因素包括射流工质、喷嘴直径、喷嘴至冲击面的距离和射流出口Re数。计算结果表明，压力梯度的径向分布决定了局部换热系数径向分布形状。大量的实验证明：喷嘴的几何参数，喷嘴到冲击面的距离，喷嘴与喷嘴的距离，射流出口Re数，交叉流动等都对实验本身有很大影响。近些年来，由于低Re数k-ε模型与标准的k-ε模型相比能更加精确地预测近壁区流动的传热特性，故许多研究学者都对其做了深入的研究工作。S.J.Wang等[6]深入的对二维冲击射流进行了数值模拟，分别对五种低Re数k-ε模型进行了比较，并与实验数据对比，进而通过对喷嘴出口的湍流强度，湍流模型的系数以及出口速度等进行调节对数值模拟的结果进行修正，最终得到了与实验值比较吻合的结果。 但由于问题本身的复杂性，实验受条件影响较大，不同研究者报道的实验数据比较分散，影响了对实验结果的分析和总结，也不利于对射流冷却过程物理现象的分析和通用传热关系的归纳，相应条件下的流动与传热机制还需要进一步研究[7]。 以上研究主要为无限长平板冷却，而对一些工程问题（如柴油机活塞油腔冷却）,实际为受限流动空间内的射流冷却。在该问题中，当射流冲击底部平板后产生再生射流（流体受底部平板阻挡再次冲击侧面平板），由此该射流对侧面平板的传热特性也会产生影响；而且，前后两次射流之间还存在复杂的相互关系。除此之外，在受限空间内研究的冲击射流一般为未充分发展流动，与之前大多数学者所研究的充分发展流不同，由此而产生的对壁面的传热影响也有所区别。到目前为止，国内外很少有研究人员开展受限出口有限空间内冲击射流及再生射流传热特性的分析。 本文在前期的工作基础上，通过计算分析受限空间内冲击射流的传热系数来解释流场与传热的关系，进而为受限空间内的射流冷却传热结构的设计与改进提供可靠的依据。 1 数学模型 为了简化计算，作如下假设：1、2、3、4、 1.1 流体区控制方程 连续性方程： (1) 动量方程： (2) 能量方程：