相干條件下多股自耦合射流流動(dòng)與換熱特性的數(shù)值模擬

近年來(lái)，一種新型流動(dòng)控制技術(shù)自聚合射流激勵(lì)器的出現(xiàn)和應(yīng)用已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一。圖1顯示了典型的工作原理。在帶有開(kāi)口的封閉腔中，底部的周期性振動(dòng)使腔中的氣體不斷進(jìn)入開(kāi)口，并在開(kāi)口處產(chǎn)生了一系列非定常波環(huán)。這一系列環(huán)形循環(huán)的輸出功能對(duì)應(yīng)于輸出流，可以重要影響附件層和趨勢(shì)以及方向的方向。因此，這被認(rèn)為是一個(gè)新的流動(dòng)控制概念。這種人工流不需要額外的流量輸送設(shè)備，并且易于操作，因此用戶非常廣泛。目前，該應(yīng)用范圍廣泛，如流量分離、氣動(dòng)力控制、流量輸出向量控制、混凝、換熱控制、噪聲抑制、微流控制、飛機(jī)控制、顆粒分散控制等。同時(shí)，由于自聚合波束運(yùn)動(dòng)的動(dòng)脈性，比傳統(tǒng)的連續(xù)波束運(yùn)動(dòng)的傳輸能力具有更強(qiáng)的連續(xù)性，因此在強(qiáng)化換熱方面也具有潛在的應(yīng)用前景?？偨Y(jié)目前對(duì)自耦合射流開(kāi)展的研究發(fā)現(xiàn),大多數(shù)研究是針對(duì)單股自耦合射流開(kāi)展的,國(guó)內(nèi)的清華大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)在這方面也做了大量的工作.迄今為止,對(duì)于多股自耦合射流的研究工作開(kāi)展得較少,尤其是對(duì)其流動(dòng)和換熱特性的研究還比較缺乏.因此,本文試圖通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)多股自耦合射流在相干條件下的流動(dòng)和換熱特性進(jìn)行初步探討.1幾何尺寸的確定本文的數(shù)值模擬區(qū)域包括激發(fā)器和外部流域.多股自耦合射流共用一個(gè)激發(fā)器腔體,激發(fā)器頂面等間距開(kāi)三個(gè)矩形狹縫噴口,這種設(shè)計(jì)可以保證三股射流的同步激發(fā),相位一致.激發(fā)器的幾何尺寸為:腔體直徑D=30mm,腔體高度H=5mm;噴口寬度b=0.5mm,高度h=0.5mm,長(zhǎng)度l=10mm;狹縫噴口間距S=5b.外部流域:寬50mm,長(zhǎng)50mm,沖擊距定義為30mm,靶板熱流密度為1000W/m2,流體溫度設(shè)為298K.文中計(jì)算模型采用三維模型,根據(jù)區(qū)域結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,同時(shí)為了節(jié)省計(jì)算資源,模型僅為幾何結(jié)構(gòu)的一半.利用GAMBIT軟件對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分,對(duì)稱面上的網(wǎng)格如圖2所示.在局部區(qū)域采用了網(wǎng)格加密處理以提高計(jì)算精度和準(zhǔn)確性.2計(jì)算值的方法2.1維不可壓縮非穩(wěn)態(tài)ngk-湍流模型由于自耦合射流的速度較低,其流動(dòng)過(guò)程由連續(xù)性方程Δ?uˉˉˉ=0(1)Δ?uˉ=0(1)和不可壓縮的非穩(wěn)態(tài)N-S方程所控制ρ?uˉˉˉ?t+ρuˉˉˉ?Δuˉˉˉ=?Δpˉ+(μ+μtˉˉˉ)Δ2uˉˉˉ(2)ρ?uˉ?t+ρuˉ?Δuˉ=-Δpˉ+(μ+μtˉ)Δ2uˉ(2)其中“-”表示雷諾平均.考慮到自耦合射流在形成過(guò)程中產(chǎn)生的湍流渦對(duì),本文采用了二維不可壓縮非穩(wěn)態(tài)RNGk-ε湍流模型,它比標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型能更好地處理渦流,提高精度.由于RNGk-ε湍流模型是高雷諾數(shù)k-ε湍流模型的一種改進(jìn)形式,所以在近壁區(qū)仍然采用壁面函數(shù)法來(lái)進(jìn)行處理.2.2腔體底部運(yùn)動(dòng)規(guī)律在已有的數(shù)值研究中,噴口處的邊界條件是按照正弦速度條件設(shè)置的unˉˉˉˉ(ξ=0,η,t)=U0sin(ωt)(3)unˉ(ξ=0,η,t)=U0sin(ωt)(3)其中ξ表示射流的流向,η表示射流展向.這種模擬只是近似地假定噴口處的速度變化規(guī)律遵循正弦曲線變化,沒(méi)有充分地考慮腔體內(nèi)部和外部流場(chǎng)的相互影響,也不能夠反映出自耦合射流激發(fā)器是利用腔體底面的振動(dòng)的工作原理.本文將腔體底面定義為移動(dòng)壁面,其運(yùn)動(dòng)規(guī)律定義為式(4),即假定整個(gè)腔體底面的運(yùn)動(dòng)規(guī)律具有周期性正弦曲線特征,振幅和頻率為基本特征量.ywall=A?sin(2π?ft)(4)ywall=A?sin(2π?ft)(4)式中A是膜片振幅,f為振動(dòng)頻率.當(dāng)時(shí)間t=0時(shí),膜片的位移為零;當(dāng)t=±0.25T時(shí)(T為周期),膜片的變形最大.在FLUENT中,采用用戶自定義函數(shù)(UDF)將運(yùn)動(dòng)規(guī)律式(4)嵌入底面邊界,每個(gè)時(shí)間步腔體內(nèi)部的網(wǎng)格點(diǎn)位置都要發(fā)生變化,網(wǎng)格根據(jù)式(4)進(jìn)行重新劃分.3計(jì)算與分析3.1單個(gè)射流的發(fā)生本文中設(shè)定狹縫長(zhǎng)軸方向?yàn)閤方向,短軸方向?qū)?yīng)y方向,射流沖擊方向?yàn)閦方向.圖3是三狹縫噴口自耦合射流在一個(gè)周期內(nèi)發(fā)展的流場(chǎng)矢量圖,圖中顯示的是y-z狹縫短軸中心截面和x-z狹縫長(zhǎng)軸中心截面上的流場(chǎng)矢量.如圖所示,不管是在噴口長(zhǎng)軸方向還是短軸方向,三股自耦合射流都在出口附近耦合成一股更強(qiáng)大的射流向下游運(yùn)動(dòng),流場(chǎng)都經(jīng)歷了周期性的發(fā)展.在y-z平面,合成射流的發(fā)展和單個(gè)射流的發(fā)展規(guī)律相似,在t=1/4T時(shí),腔體底面膜片向上運(yùn)動(dòng),氣體從腔體內(nèi)部噴出,在噴口附近形成一個(gè)反向渦對(duì);在t=1/2T時(shí),這一渦對(duì)已經(jīng)在自耦合射流自身的牽引作用下移動(dòng)到了相對(duì)較遠(yuǎn)的位置,逐步與周?chē)臍怏w摻混,不斷進(jìn)行動(dòng)量交換,噴口出口的渦對(duì)消失;在t=3/4T時(shí),自耦合射流繼續(xù)向下游發(fā)展并最終耗散于下游的流場(chǎng)中,同時(shí)腔體底面膜片向下運(yùn)動(dòng),將噴口外部附近的流體抽吸進(jìn)激發(fā)器腔體;到t=1T時(shí),一個(gè)周期結(jié)束的同時(shí)伴隨著又一個(gè)新周期的開(kāi)始,氣體從腔體噴出,生成新的渦對(duì),這時(shí)可以同時(shí)看到新舊渦對(duì).正因?yàn)榧ぐl(fā)器底面膜片不停地做著周期性振動(dòng),出口處不斷有反向渦對(duì)生成,并向下游發(fā)展,補(bǔ)充到自耦合射流中去,維持了自耦合射流的延續(xù)性.在x-z平面,這一流場(chǎng)剖面和單股自耦合射流的剖面基本相同(如圖4所示),三股自耦合射流融合后仍然是沿中心線對(duì)稱的自耦合射流,這一點(diǎn)和從y-z平面看到的現(xiàn)象吻合,即兩側(cè)的射流受到中間一股射流的卷吸,射流由兩側(cè)向中間融合,融合后成為一股中心對(duì)稱的射流向下游發(fā)展,這說(shuō)明中間一股射流的卷吸能力較強(qiáng).比較后發(fā)現(xiàn)在y-z平面自耦合射流型面較寬,射流噴出后在下游的擴(kuò)展角度較大,而從x-z平面上看,射流的型面較窄,擴(kuò)展角度較小.3.2流體溫度分布的變化圖5所示為多股自耦合射流沖擊下的恒熱流靶板在一個(gè)周期內(nèi)的溫度場(chǎng)變化圖.圖中溫度變化采用等值線表示.根據(jù)圖示,從整體上看,沖擊駐點(diǎn)區(qū)域溫度最低,整個(gè)沖擊區(qū)域呈現(xiàn)出中心溫度最低的近似圓形的對(duì)稱性分布,這進(jìn)一步說(shuō)明三股自耦合射流相干后的發(fā)展近似于是中心對(duì)稱的圓形三維射流.在中心區(qū),自耦合射流的擴(kuò)展作用范圍在短軸方向要略大于長(zhǎng)軸方向,從而引起靶面中央的溫度橢圓形分布長(zhǎng)軸出現(xiàn)在噴口短軸方向,進(jìn)一步反映出自耦合射流在長(zhǎng)短軸方向上的速度分布特征對(duì)換熱特性的影響.圖6是根據(jù)靶板表面溫度分布得到的平均對(duì)流換熱系數(shù)沿不同方向的分布曲線.圖中曲線呈現(xiàn)出中心對(duì)稱的波峰分布形狀,表明自耦合射流駐點(diǎn)區(qū)換熱效果最好.可以看出,對(duì)流換熱系數(shù)沿不同方向的分布規(guī)律基本保持一致,和圖5中溫度場(chǎng)呈現(xiàn)近似圓形分布的趨勢(shì)相對(duì)應(yīng).4對(duì)流場(chǎng)特征本文采用數(shù)值模擬的方法對(duì)多股自耦合射流在相干條件下的流動(dòng)和換熱特性進(jìn)行了研究,取得了以下研究結(jié)論:(1)三股自耦合射流都在出口附近耦合成一股更強(qiáng)大的射流向下游運(yùn)動(dòng),流場(chǎng)都經(jīng)歷了周期性的發(fā)展.(2)兩側(cè)射流受到中間一股射流制約和卷吸,在向下游發(fā)展過(guò)程中融合到一起,融合后仍然是沿中心線對(duì)稱的自耦合射流.在短軸中心截