横向射流湍流拟序结构对强化传热的作用机理

Improving the heat transfer efficiency of the heat exchangers is an important low-carbon energy technology, and new methods to enhance the heat transfer are obviously needed. This project focuses on the influence mechanism of the heat transfer enhancement by the turbulent coherent structures in the system of jet in cross-flow.The regular patterns of the spreading and the pulsating process of the turbulent coherent structures, as well as the influences of the turbulent coherent structures on the heat transfer enhancement, are studied through high-speed photography, 3D-PIV and thermal imaging technologies. The transfer function correlates the turbulent coherent structures in the system of jet in cross-flow and the heat transfer enhancement is obtained. The pathways of the heat transfer enhacement and the critical parameters are revealed. On the other hand and based on the experimental studies, a program combining the lattice Boltizmann method and the large eddy simulation method is developed. The parameters of the filter function in the large eddy simulation method are optimized to obtain a compatible turbulence viscosity for the present investigations. The motion of the flow sturctures inside the boundary layer, the evolution of the vortices and the corresponding heat transfer process are described and analyzed in detail. The influence mechanism of the heat transfer enhancement by the turbutlent coherent structures in the system of jet in cross-flow is revealed. This project provides depth understanding of the influence mechanism of the heat transfer enhancement by the turbulent coherent structure, and provides empirical formulas and the theoretical models. The results obtained in this project are important and very useful in the design and the applications of high efficient heat exchangers.

提高换热器的换热效率是一项重要的低碳能源技术,需要不断寻求新的强化传热技术和方法。本项目着眼于研究横向射流湍流拟序结构对强化传热的作用机理，通过高速摄影、三维PIV和热成像等实验测量技术，揭示横向射流湍流拟序结构的扩展和脉动规律，探索湍流拟序结构对换热体强化传热的影响因素，构建横向射流湍流拟序结构对强化传热作用的传递函数，探明横向射流湍流拟序结构影响传热的途径和关键参数。在实验研究的基础上，将格子-玻尔兹曼方法和大涡模拟方法相结合，修改大涡模拟方法中滤波函数的参数以获得适合当前研究问题的湍流黏度，系统描述在横向射流湍流拟序结构作用下换热体边界层的流动结构变化、涡系演化特征和传热特性，进一步探究横向射流湍流拟序结构对强化传热的规律和内在作用机制。研究结果将为深入了解横向射流湍流拟序结构对强化传热的作用机理提供经验公式和理论模型，同时对换热器的开发应用具有重要意义。

提高换热器换热性能的核心理念是在固有的限制条件下最大化地提高换热系数，从而达到节省空间、节减材料和节约能源。本项目采用实验研究和数值模拟方法深入探索了横向射流湍流拟序结构的运动规律及其对换热体强化传热的作用机制，获得横向射流湍流拟序结构的扩展宽度、脉动强度和脉动频率沿着中心轨迹的变化规律，从而探明横向射流湍流拟序结构对强化传热的内在作用机理。.项目一共搭建了2个实验研究台架，发现了一些尚未报道的实验规律，提出了一种新算法。在研究射流强化传热时，导热损失率变化幅度非常大，不能假设为某一个比例。详细对比后发现已有文献低估了射流强化传热效果，而且均匀化了滞止点的传热。这一发现应该引起足够重视，比如在航空发动机叶片冷却时，不能采用传统的滞止点的强化传热因子，应该考虑到导热热损失随位置的变化规律，从而考虑对相对努塞尔数产生的影响。因此，项目提出了一种新的算法用于处理导热热损失随位置变化规律，从而更加科学地计算当地相对努塞尔数。此外，发现侧边横向射流比垂直的横向射流的强化传热效果更好，但是均存在一个最佳的射流速度比使得强化传热效果最好。项目开发了2个并行的LBM程序（二维程序和三维程序各1个），发现了一些尚未报到的流动和传热现象。横向射流LBM数值模拟发现射流对周围流体的卷吸和逆向旋转涡对的形成具有特定的模式；对圆柱绕流问题，湍流拟序结构的脉动仅对迎风面产生强化传热作用，而且作用时间仅是脉动的正半周期。深入的研究发现，脉动是改变了黏性力的分布，从而对传热产生影响。.自本项目立项以来共发表期刊论文18篇：以本基金号作为第1标注的期刊论文13篇，其中SCI收录期刊论文10篇（其中2018版中科院大类分区1区论文1篇，2区论文3篇）；以本基金号作为第2标注的期刊论文5篇，其中SCI收录期刊论文4篇（其中2018版中科院大类分区1区论文1篇）。