湍流场协同模型在凹槽管优化中的应用 温润静.docVIP

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：143722 湍流场协同管的应用3，路广涛4 （大连理工大学能源与动力学院116024） (Tel: 0411 Email: zhangbo@dlut.edu.cn) 摘要：为降低湍流流动阻力，场协同原理本文avre平均方法对S方程处理，结合机械能耗散原理不可压缩湍流场协同减阻方程。凹槽管管道内湍流流动协同流场对凹槽结构进行优化，并优化前、后凹槽管的流动、换热特性进行模拟下粘性耗散、压差u数对比可知，72%左右、压降减小%左右减阻效果明显。 场协同流动减阻是流体力学研究的重要方向技术的应用人类生活、工业生产重要意义。随着边界层理论的发展，主动式、被动式流动减阻控制技术[1]对边界层流态转化进行改变实现减阻，减阻技术统一理论指导，设计大多依靠经验20世纪末，我国学者uo, Z. Y.等[2]通过对对流传热能量方程的分析了“”原理，换热强度不仅取决于温度场、速度场大小，也需要两者之间协同换热场协同原理启发，Liu, W.等[3]对流体层流换热分析，流场内一个质点可用、速度梯度、梯度温度梯度的夹角各物理量间关系hen, Q.等[4]在换热场协同原理的基础上，最小机械能耗散原理拉格朗日函数极值法相结合得了不可压缩层流场协同方程这为流场优化了可靠的理论依据。 湍流换热需要换热与流损失以实现在同等能力的情况下多的减少损耗，。通过对N-S简化，结合最小耗散原理得出不可压缩湍流场协同方程以设计为例，CFD软件结合湍流场协同方程求解流场将优化凹槽管的换热能力进行计算分析，模型流动阻力同时强化换热的。 流动场协同 湍流是一种复杂的流动过程中压力温度等物理在其平均值上还叠加有随机牛顿型流体，可压缩流体平均方程比不可压缩流体平均方程多出的项大多与密度脉动相关，因此本文借鉴Favre法[6]进行处理，化为 基金项目：国家自然科学基金项目 (1) 其中， 。 对湍流充分发展段体积力，非稳态项，且连续方程为方程封闭引入k-ε模型，方程后在Ω内积分： (2) 式中V为流体流动区域的体积，(2)式右边第二项可用格林公式转化为面积分： (3) 式中Γ为流体流动区域的边界，S为流动区域边界的表面积，为单位外法向矢量。将方程(3)带入(2)中有： (4) 定义为特征长度，通过引入无量纲变量： ，，，， 式(4)可化简为： (5) 式(5)两边同时除以S，又 化简为： (6) 式(6)左边表示xi方向的无量纲压力梯度为： (7) 式(6)右边第一项为无量纲速度和无量纲速度梯度之间的点积在整个流动区域内的积分，定义可压缩流动场协同数FSm： (8) 结合式(7)、(8)，式(6)可化为： (9) 由于，代入式(9)中简化得： (10) 定义式(10)为不可压缩场协同模型，无量纲压力梯度DCi与速度场和速度梯度场的协同程度相关。在流体流动边界条件给的情况下，与速度梯度两者间的协同关系越差即m越小)，流动阻力越小。 2 湍流流动中粘性效应一直存在，粘性摩擦力的影响，流体流动过程中转换为热能造成能量损失因此在给定条件下[7]的拉格朗日函数： (11) 其中： (12) 式中：u在湍流流动中表示的是，即； ； (常数)。 对于不可压缩流体，(对u求变分得： (13) 用(代替，式(11)对u求变分，可得： (14) 流体流动满足N-S方程： (15) 对比式(14)(15)可得： (16) 联合式(15)和式(16)可得： (17) 式(17)中附加体积力大小并不等于流体流动过程中的惯性力。本文认为在给定边界条件下，求解式(17)即可获得最佳速度场并将其定义为 3 计算模型和为优化模型，尺寸如下：D=10