非均匀壁面粗糙度棒束间流动传热与涡结构运动特征研究

In tight lattice, there is a quasi periodic large scale vortex structure existed in the gap region. This kind of vortex structure could effectively strengthen the convective heat transfer in tight lattice. However, the application of tight lattice is not satisfactory since the narrow gap distance might induce mechanical instability. In this work, the lattice with non-uniform wall roughness is introduced to strengthen the heat transfer and avoid the limitations in tight lattice. Until now, the research about the lattice with non-uniform wall roughness is empty. In this work, the flow and heat transfer and the quasi periodic large scale vortex structure in lattice with non-uniform wall roughness will be investigated experimentally and numerically. The experimental information of the flow field and temperature field in lattice will be obtained. The mathematical models and simulation methods describing the strong anisotropy effects of turbulence and the quasi periodic large scale vortex structure in gap region in lattice with non-uniform wall roughness will be developed. The flow field and heat transfer characteristics in lattice with non-uniform wall roughness will be obtained. The spatial and temporal evolving mechanism of quasi periodic large scale vortex structure in lattice with non-uniform wall roughness will be recovered. These results obtained in this work might provide effective theoretical basis and technical support for the engineering application of the lattice with non-uniform wall roughness.

在稠密栅元内，间隙区存在一种准周期性的大尺度涡结构运动，这种涡结构运动能够有效地增强栅元内的对流换热。然而，由于稠密栅元中过窄的棒间距容易引发力学不稳定性等缺陷的存在，稠密栅元的应用前景并不十分理想。本课题提出非均匀壁面粗糙度棒束以实现强化换热同时有效地避免稠密栅元中的缺陷，目前，国内外都还没有开展非均匀壁面粗糙度棒束的研究。本课题对非均匀壁面粗糙度棒束间的流体流动传热和准周期性的大尺度涡结构运动进行实验和数值研究，获取棒束间流场、温度场分布的实验信息，构建反映非均匀壁面粗糙度棒束间强烈各向异性湍流和间隙区准周期性的大尺度涡结构运动特征的数学模型和模拟方法，获得非均匀壁面粗糙度棒束间流场分布特征与流体流动传热特性，揭示非均匀壁面粗糙度棒束间的准周期性的大尺度涡结构运动的时、空演化规律。本课题相关成果的取得将为非均匀壁面粗糙度棒束的工程应用奠定良好的理论基础和技术支撑。

在稠密栅元内，间隙区存在一种准周期性的大尺度涡结构运动，这种涡结构运动能够有效地增强栅元内的对流换热。然而，由于稠密栅元中过窄的棒间距容易引发力学不稳定性等缺陷的存在，稠密栅元的应用前景并不十分理想。本课题提出非均匀壁面粗糙度棒束以实现强化换热同时有效地避免稠密栅元中的缺陷，目前，国内外都还没有开展非均匀壁面粗糙度棒束的研究。.本课题对非均匀壁面粗糙度棒束和非均匀壁厚棒束间的流体流动传热和准周期性的大尺度涡结构运动进行研究，构建反映非均匀壁面粗糙度棒束间强烈各向异性湍流和间隙区准周期性的大尺度涡结构运动特征的数学模型和模拟方法，获得非均匀壁面粗糙度棒束间流场分布特征与流体流动传热特性，揭示非均匀壁面粗糙度棒束间的准周期性的大尺度涡结构运动的时、空演化规律。.主要研究结论包括：1）Stress-ω RSM模拟摩擦阻力系数和换热系数与经验公式之间存在一定误差，但基本处于可接受范围内，且其在预测流体各向异性方面具备优势明显，因而可以选取Stress-ω RSM模拟对非均匀壁面粗糙度棒束和非均匀壁厚棒束进行研究。2）相对于非均匀壁厚棒束，非均匀壁面粗糙度棒束的综合传热性能更优。因而把非均匀壁面粗糙度棒束作为后续研究的优先选择。3）非均匀壁面粗糙度棒束的K参数随着p/e的的增加而单调增加。4）当θ=12.5º时，非均匀壁面粗糙度棒束综合换热性能最优（K≈2.28），为本课题推荐的粗糙壁面跨度角。5）在所分析的四种形状粗糙元中，半球体颗粒综合效果最佳，为本课题推荐的人工粗糙元形状，其余粗糙元形状综合效果依次为：半圆形肋板>方形肋板>立方体颗粒。.本课题相关成果的取得将为非均匀壁面粗糙度棒束的工程应用奠定良好的理论基础和技术支撑。