不同温度边界条件下集热管内多相流不稳定性数值模拟

来源 :南昌大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:chenzi004
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多相流不稳定性广泛存在于自然界和工业生产领域中,在航空航天、材料制备、流体运输等领域均有重要应用。由于多相流不稳定性的复杂性以及它对工业生产设备流动传热的重要影响,其相关研究对实际工程应用都具有非常重要的应用价值。由于FTM(Front Tracking Method)具有对界面高精度追踪以及高效计算表面张力的独特优势,本文利用该方法建立了两相流模型,对不同温度边界条件下热流耦合效应对集热管内两相流动K-H(Kelvin-Helmholtz)不稳定性进行了数值研究。首先对无温度场影响下倾斜壁面上二维不混溶、不可压缩两相流K-H不稳定性的演化过程进行了数值模拟,发现倾斜壁面上K-H不稳定性界面演化的一些基本规律,包括:壁面倾斜对K-H不稳定性界面向上和向内的发展均有促进效果;速度梯度层厚度ε对界面发展有明显的抑制作用;不同理查森数重力项Rig对倾斜壁面上K-H不稳定性的影响随倾角改变而变化;表面张力项Riσ对界面不稳定性的影响主要表现在界面末端的形状,其对界面卷积高度的影响较小。这些结论以期接下来进一步为不同温度边界条件下热流耦合效应与界面波动之间的相互影响的探究提供帮助。进一步对恒定温度边界条件下倾斜壁面上的不稳定性界面波动与传热的相互影响进行了研究。研究了不同壁面倾角φ、马兰戈尼数Ma以及瑞利数Ra对界面不稳定性的影响。结果表明:壁面倾角越大,界面越容易失稳,同时会降低界面处热量的传递,并发现在φ=0°,30°,45°,60°四组对比倾角中,在倾角φ=45°时热流传递较平稳;流体间热流密度随着Ma数的增加而减少,Ma数对界面波动的影响较小,更多的是通过改变界面处表面张力梯度对界面形态产生影响,并主要体现在卷积界面末端,表现为Ma数越大时,界面越向内发展,并随着倾角增大界面向内发展越明显;Ra数对界面失稳具有明显的抑制作用,Ra数对界面处热流的传递表现出交替的变化,表现为在早期壁面倾斜时流体间热量传递较壁面水平时更大,但在后期热量传递小于水平壁面。本文进一步对随时间周期性波动温度边界条件下的两相流不稳定性进行了直接数值模拟,研究了不同壁面倾角φ、不同波动振幅 AT、不同角频率ωT、不同相角θT以及不同Ra数对界面波动演化与流动传热的影响。结果表明:随着倾角的增大上层流体能达到的最高温度随之增大,最低温度随之减小;当壁面水平时,y=0.5水平线上y方向热流密度大小qy,y=0.5达到更高与更低的极值,并随着壁面倾角的增大,混合区域逐渐向x=0.5后半段转移,并在φ=45°时径向传热最平稳;随着振幅AT的增大上层流体的平均温度越高,但对达到最大值所需的时间的影响却很小;随着振幅AT的增大,qy,y=0.5达到峰值也越高;随着ωT的增大,温度波动的周期也越短;随着ωT的增大,由壁面倾斜带来的上层流体平均温度差ΔTm的最高值和最低值越低,并发现y方向热流差Δqy,5π/6与Δqy,7π/6近似呈对称分布;当θT=π/2与θT=-π/2时,ΔTm,φ=30。呈对称分布;不同θT对温度场的影响主要是界面不稳定性的发展导致流域中部的扰动对温度传导的影响与上壁面温度波动变化的叠加效应而引起的。界面两侧的速度梯度的促进效果与体积力对冷热卷积流体向下的抑制效果相互抗衡,影响混合区域界面形态;当Ra=39.24×104时,出现较长的热传导阶段step 1;波峰H、波谷D界面波动的最大值的绝对值Max|B(t)随着Ra数的增大而减小,H的界面波动小于D的界面波动,并成线性分布。
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