为了研究过渡流下间隙比对近壁单圆柱绕流流动特性的影响,搭建了开式循环水槽实验台,通过粒子图像测速(PIV)的方法,对过渡流下不同间隙比的近壁单圆柱绕流进行了实验研究。结果表明当雷诺数为200时,间隙比对圆柱尾流的流动特性有明显影响。间隙比的改变主要影响圆柱与壁面的相互作用,从而引起分离剪切层以及尾流旋涡形态的变化。随着间隙比的增大,圆柱尾流的流动形态由单个顺时针运动的旋涡逐渐演变为逐渐对称的旋涡对,且尺度逐渐减小,同时壁面对圆柱尾流的影响逐渐减弱。根据研究的工况,在C/D<0.6时,壁面对圆柱尾流的流动特性影响显著;反之,尾流的流动特性几乎不受影响。

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。

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。

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。

为研究间隙比对近壁单圆柱绕流结构的影响,解明圆柱尾流对壁面不稳定性的作用机理,搭建了开式循环水槽实验台,通过粒子图像测速(PIV)系统,对过渡流下近壁单圆柱模型进行了实验研究。结果表明Re=300时,间隙比对圆柱绕流结构和壁面扰动强度影响明显。间隙比较小时,圆柱下游剪切层发展被抑制;随着间隙比的增加,圆柱尾流开始形成旋涡对,且旋涡对尺度逐渐减小并趋于对称;同时,近壁区域流体的加速效果先增强后减弱,加速区域不断增加,壁面流动不稳定性先增强后减弱。相比于无壁面影响的单圆柱,近壁单圆柱尾流形成了周期更长的旋涡交替脱落运动,增强了壁面流动的不稳定性。

为了探究过渡流下不同雷诺数、不同间隙比的近壁方柱绕流的流动特性,该实验搭建了开式循环水槽,采用了粒子图像测速系统(PIV),对过渡流下近壁单方柱绕流进行了实验研究。结果表明雷诺数、间隙比对方柱的速度场、涡量场等均有明显的影响。增大C/D,方柱尾流形态由单涡逐渐变为对称的涡对,尺度逐渐减小,当C/D<0.8时,壁面与方柱相互作用明显。增大Re,方柱尾流处速度矢量旋度及涡尺度均增大,当Re=200时,C/D对方柱绕流特性有明显的影响。

目前换热器正朝着结构紧凑、小型化方向发展,换热器的管束细化使管外流场向过渡流状态转变。为了提高换热器的换热效率,采用基于复合网格系统的计算方法,建立了内插串列双圆柱对壁面强化传热模型并进行实验验证,通过数值分析研究过渡流状态下圆柱距壁面的不同间距比(C/D)对壁面传热特性的影响,以期优化圆柱下游壁面的流动传热特性。研究结果表明近壁插入圆柱可强化圆柱下游处的壁面传热;不同C/D值对壁面的传热强化效果有显著影响,壁面的传热强化效果随C/D的增大而减小,在加工工艺条件允许的情况下应尽量使被插圆柱靠近壁面,这为过渡流下换热器的研究提供了参考。