【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于一种被动的湍流控制技术，涉及以湍流边界层速度条纹无量纲间距间隔排布的流向肋片尺寸设计及其在湍流缓冲层内的布置方式。通过对湍流边界层内相干结构的控制，实现通道底面流动阻力降低并且维持通道底面的换热性能。可广泛用于热能工程、航空航天工程等领域。
技术介绍
1、人类社会的各类经济和社会活动都伴随着能量的消耗、转换和利用。为了迎合我国可持续的绿色发展理念，在能源研究领域，有关热能的相关转化是节能技术研究的其中一个重点。换热器作为热能传递和转换过程中的一个重要器件，广泛应用于航空航天、化工电力等领域。其中，对微通道内的强化传热和减阻研究是其中的一个研究热点。微通道换热器具有可控性高、效率好、换热效果好、承压性能强等优点，随着工业技术不断发展，对其性能的要求也不断提高。强化传热和降低流动阻力来对微通道内换热器进行优化设计，提升设备利用效率。
2、基于湍流边界层的流动和传热特点，在边界层处引入扰动形成二次流，可以削减边界层厚度，改变原有边界层结构，以此影响和控制主流的发展，提高传热效率，改善流动特性。因此，许多控制阻力的尝试都集中在削弱准流向涡旋上。当改变表面边界条件以抑制存在于壁面区域的动态显著相干结构时，可以实现阻力的显著降低。为了改变原有的湍流结构进而提升流体侧的流动特性，常见的流动控制分为主动流动控制和被动流动控制两类。在主动控制过程中，需要消耗外界的能量才能对持续运动产生影响，例如电能、电磁能、振动等。被动控制则不需要外界提供额外的能量，没有反馈回路来感知和操纵流动结构，以抑制有组织流动结构的形成或相互作用
技术实现思路
1、本专利技术所要解决的技术问题是：克服现有的换热器内被动湍流控制的不足，提供一种以湍流边界层内速度条纹无量纲间距间隔排布的流向肋片布置方式和尺寸设计方案，在实现湍流阻力降低的同时不造成传热性能的恶化，同时可以适应一定范围内的换热器工况变化。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：
2、一种在缓冲层内使用流向肋片的湍流控制方法，其特征在于，在湍流缓冲层内布置若干个流向肋片，所述流向肋片为刚体部件，流向肋片的下缘不触及通道底面，两个流向肋片之间的间隔根据湍流边界层速度条纹的无量纲间距而设定，基于上述流向肋片的尺寸设计及其布置方法，包含以下步骤：
3、步骤一：测量湍流通道特征长度h(m)、通道的流向截面a(m2)、通道的流向长度l0(m)、通道的展向宽度l1(m)，平均流速um(m/s)，流体的密度ρ(kg/m3)已知，流体的动力粘度μ(kg/(m﹒s))已知，则流体的运动粘度可计算出，进而确定雷诺数
4、步骤二：建立湍流通道的数值计算物理模型并进行网格划分：确定湍流通道的数值计算物理模型底面第一层网格高度△y(m)，在通道模型边界第一层网格确定的基础上划分网格，即可得到数值计算所需的计算网格；
5、步骤三：采用大涡模拟数值方法进行计算，湍流通道进出口边界采用周期性边界条件、保持恒定质量流量，湍流通道两个侧壁面也采用展向周期性边界条件；根据数值模拟结果，得到湍流通道的数值计算物理模型表面的剪切应力τw(n/m2)，湍流通道的数值计算物理模型底面即需要降低阻力的对象；
6、步骤四：利用数值模拟结果中的湍流通道的数值计算物理模型表面剪切应力τw(n/m2)，已知流体密度ρ(kg/m3)，计算湍流通道的数值计算物理模型底面的摩擦速度
7、
8、步骤五：无量纲高度由流体的运动黏度ν(m2/s)和摩擦速度uτ(m/s)计算得到，y(m)是实际高度；y+＝1时表示单位无量纲高度，用来表示单位无量纲高度1，y1(m)来表示单位无量纲高度对应的实际高度；
9、步骤六：设定湍流缓冲层无量纲高度(y+)在5<y+<60范围内；令y+＝5，得到无量纲高度为5时对应的实际高度y5；令y+＝60，得到无量纲高度为60时对应的实际高度y60；由此得出对应的实际高度y5～y60(m)，此实际高度作为流向肋片的可选几何高度范围。
10、进一步的，步骤二中，利用无量纲高度的经验公式h(m)是特征长度，令y+＝1，确定湍流通道的数值计算物理模型底面第一层网格高度△y(m)。
11、进一步的流向肋片的几何高度为通道湍流边界层厚度的7.85％。
12、进一步的，将流向肋片的几何高度设置为y5～y60(m)，呈阵列式、等间距布置在换热器的湍流缓冲层内。
13、本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
14、(1)从布置方式分析，目前已有的湍流控制方法所用的湍流控制装置的布置方式没有一定的依据，对于工业生产和科学研究都缺乏一定的指导和启发；本专利技术中相邻流向肋片之间的展向无量纲间距为120，在该间距下，阵列型式流向肋片可以对流动结构起到控制作用，并且可以减小表面流动阻力超过12.8％；
15、(2)从布置方式分析，将流向肋片布置于湍流边界层的缓冲层内，能够减小换热器的流动阻力，对于工业生产和科学研究具有一定的启发作用和指导意义。
16、具体来说，边界层内速度条纹的产生和破裂与湍流边界层内的涡旋结构密切相关。近壁区域的结构具有能够再生的“自我维持”过程：速度条纹是由流向涡的动量水平传递所形成的，而条纹的破裂是由于条纹的不稳定性造成的，在速度条纹破裂的过程中，一系列复杂的相互作用又重新激活了流向涡旋，形成了一组新的速度条纹，完成了再生循环。这个循环存在于y+≈20到y+≈60之间的这个区域，并且可以在没任何主流流体输入的情况下生存。在这个过程中湍流边界层内的相干结构频繁相互作用，造成了低速区域流体向外进行突发的喷射运动，以及高速流体向壁面的扫掠运动，这个区域是湍流动能产生和耗散最剧烈的区域，它主导了边界层内外的动量传递。本专利技术中的流向肋片位于湍流缓冲层内，肋片下缘不是固定于湍流通道的底面，而始终浸润在缓冲层内，不会对湍流粘性底层内的流动造成破坏，促进了热对流，因此在降低阻力的同时不会对通道底面的换热性能造成破坏。
17、(3)当换热器内湍流边界层厚度随换热器内流体速度变化，肋片的高度保持不变，在一定工况变化范围内，肋片浸润在湍流边界层的范围逐渐增大，在此工况变化范围内都可以减小通道底面的流动阻力，同时逐渐呈现了轻微的促进换热效果。
18、(4)相对于常规尺寸的流向肋片，本专利技术所采用的微型流向肋片尺寸极小，使得流向肋片对换热器内流体流动的阻碍作用极小。
19、具体来说，从布置流向肋片对换热器内流动阻力的影响分析，在换热器内布置常规尺寸的流向肋片，常常导致换热器内流动阻力的增加，从而导致所需能耗增加，而本专利技术中描述的流向肋片尺寸极小，使得流向肋片对换热器内流体流动的阻碍作用很小。
本文档来自技高网...【技术保护点】
1.一种在缓冲层内使用流向肋片的湍流控制方法，其特征在于，在湍流缓冲层内布置若干个流向肋片，所述流向肋片为刚体部件，流向肋片的下缘不触及通道底面，两个流向肋片之间的间隔根据湍流边界层速度条纹的无量纲间距而设定，
2.根据权利要求1所述的湍流控制方法，其特征在于，步骤二中，在ANSYS ICEM中建立湍流通道的数值计算物理模型并进行网格划分。
3.根据权利要求1所述的湍流控制方法，其特征在于，步骤二中，利用无量纲高度的经验公式H(m)是特征长度，令y+＝1，确定湍流通道的数值计算物理模型底面第一层网格高度△y(m)。
4.根据权利要求1所述的湍流控制方法，其特征在于，在ANSYS Fluent中导入步骤二得到的计算网格，采用大涡模拟数值方法进行计算。
5.根据权利要求1所述的湍流控制方法，其特征在于，流向肋片的几何高度为通道湍流边界层厚度的7.85％。
6.根据权利要求1所述的湍流控制方法，其特征在于，将流向肋片的几何高度设置为y5～y60(m)，呈阵列式、等间距布置在换热器的湍流缓冲层内。
【技术特征摘要】
1.一种在缓冲层内使用流向肋片的湍流控制方法，其特征在于，在湍流缓冲层内布置若干个流向肋片，所述流向肋片为刚体部件，流向肋片的下缘不触及通道底面，两个流向肋片之间的间隔根据湍流边界层速度条纹的无量纲间距而设定，
2.根据权利要求1所述的湍流控制方法，其特征在于，步骤二中，在ansys icem中建立湍流通道的数值计算物理模型并进行网格划分。
3.根据权利要求1所述的湍流控制方法，其特征在于，步骤二中，利用无量纲高度的经验公式h(m)是特征长度，令y+＝1...
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。