为研究过渡流下不同雷诺数Re,不同横向中心距Ps的异管径三圆柱绕流的流动特性,采用二维粒子图像测速系统(PIV)对过渡流下异管径三圆柱绕流进行可视化实验研究。结果表明,Re=120、150和200时,横向中心距的变化对上下游圆柱尾流有着明显影响。横向中心距的变化主要影响上下游圆柱的互相作用,从而引起尾流旋涡形态的变化。在研究的工况中,随着横向中心距的增大,上下游圆柱尾流的旋涡尺度逐渐减小,下游小圆柱前的时均速度越来越小,从而降低了有效雷诺数。

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。