近壁串列双圆柱绕流是研究强化传热的典型模型之一,在动力工程领域有着广泛的应用。针对该模型中特有的流动传热特性进行了研究,重点分析了局部区域的强化传热机理。结果表明壁面传热在两圆柱附近的区域出现不同程度的增强,在Re=400时第二个圆柱影响区域3≤x/D≤5的强化效果最好。进一步分析强化传热的形成原因,-1≤x/D≤1区域的强化传热主要由流动加速效应引起;3≤x/D≤5区域的强化传热主要由第一个圆柱尾流的低频自激振荡效应与流动加速效应的共同作用引起。深入研究这一共同作用,得出第二个圆柱附近的流动不稳定性与传热不稳定性的相互影响是局部强化传热的根本原因。

通过发动机试验台架,采用混合负荷方式对494Q增压柴油机进行了1000h的可靠性试验。分析了试验过程中遇到的润滑油油压突然降低的问题,并提出了改进措施。研究了改进后柴油机功率、扭矩与有效燃油消耗率随时间的变化关系,对比了试验前后柴油机的动力性及经济性指标。结果表明增大柴油机润滑油泵齿轮宽度2mm能有效解决润滑油压力过低的问题。改进后的试验过程中,除燃油消耗率呈波动上升趋势外,功率、扭矩、排气温度均随时间波动下降。试验后标定工况点的有效燃油消耗率上升了2.3%,功率下降了3.4%。随柴油机转速的增加,进气流量逐渐增大,活塞漏气量先增大后减小,在转速为3000r/min时,活塞漏气量达到最大值70.2L/min。根据柴油机技术规范,以上试验结果表明改进措施切实可行。

研究了复合台阶绕流中典型旋涡和壁面传热之间的关联性机理。通过PIV实验对所用的数值模拟方法进行了验证。从瞬态和时均两方面分析了早期过渡流区域复合台阶绕流的传热特性。结果表明从层流到早期过渡流壁面的时均传热随雷诺数呈现出非线性的增长趋势,同时台阶底面局部区域的流动传热出现了非相似性。为了理清上述传热特征的形成原因,对一个振动周期里典型旋涡的形态特征和演变规律进行了分析,发现旋涡再附着冲击角γ,近壁冲击流速Ω和旋涡流向长度Lv是影响传热的三个关键因素。一般情况下,壁面传热随着γ和Ω的增大而增大。

为研究过渡流下(Re=700)内插圆柱对后向台阶流动及传热特性的影响,并尝试找出强化台阶底面换热的最佳圆柱位置,建立二维数值计算模型。采用Fluent设定控制方程和边界条件进行数值模拟,并搭建后向台阶闭式循环水槽试验台,在相同工况下通过PIV进行可视化流动实验,验证数值计算的可靠性。结果表明Re=700时,圆柱的位置会影响回流区进而影响台阶底面的传热能力;当内插圆柱的横向位置Xc/S=0.6、纵向位置为Yc/S=1.0时,底面传热效果最好,与无内插圆柱工况相比,传热效果提高约112%,而压降只增加45%。

后向台阶绕流是包含丰富流动现象的典型分离再附流动,在工程中应用广泛。这里针对过渡流下后向台阶绕流低频脉动特性对传热的影响展开研究,重点分析了主回流区再附着点下游传热得到强化的原因。结果表明过渡流下的低频脉动特性诱导流动在壁面附近形成旋涡,这些旋涡的运动破坏了速度边界层的均匀发展,同时加强了冷热流体的混合,从而强化了底面传热,再附着点下游局部区域的传热比层流时提升了3倍以上。随着雷诺数的继续增大,近壁旋涡的形态发生变化,促使流体冲击壁面的角度增大,低速回流范围减小,从而进一步强化了底面传热。

后向台阶流道中内置圆柱的流动传热模型兼具了台阶绕流与钝体绕流的特点。这种复合绕流在工程中极具应用前景。针对这一模型的流动传热问题展开研究,重点分析了不同流向内置位置以及不同圆柱直径时的绕流流动传热特性。结果表明圆柱的流向位置对主回流区的形态以及下游的流动不稳定性有显著影响,在Xc/S=1时,Nut的局部峰值最大,在Xc/S=8时,整个底面的时均传热最强。圆柱直径对下游流动形态以及旋涡尺度有显著影响,整个台阶底面的时均传热随着圆柱直径的增大先增强后减弱。综合内置圆柱位置与直径大小来看,在Xc/S=8,D=0.6S时,后向台阶内置圆柱绕流表现出了最佳的流动传热性能。