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| 厚壁管件溫度分布對射流的概括 |
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| 更新時間：2020-12-28 17:20 作者：本站 來源：本站 瀏覽量：1102 |
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厚壁管件溫度分布對射流的概括
當主流速度一定時，能否通過改變流速比減輕構件熱沖擊。當流速比增加時，由于射入的流體以更快的速度占據射流管，同時射流管的壁面換熱也更加強烈，使其內壁溫度更快地趨近射流溫度，射流管承受的熱沖擊增加。對于下游主管，在低流速比下隨著射流速度的增加，射流溫度因與主流摻混而引起的變化減慢，由于射流的附壁性，使得該處近壁流體的無因次溫度更大，也即受射流影響更大，因此下游管壁所承受的熱沖擊也將更大。由更高流速比下的橫向射流研究可知，當流速比達到一定范圍時射流將完全脫離壁面，其背風區為主流流體，下游近區的管壁溫度幾乎不受射流影響，該處管壁所受的熱沖擊大大減��；但與此同時，射流管承受的熱沖擊將大幅度增加，因此不宜采用。
在目前公開發表的橫向射流實驗數據中．絕大多數都基于風洞或水洞實驗獲得，主流為圓管內流的實驗數據極其有限。為了驗證數值計算的可靠性，模擬了置主管為方形截面的非等溫橫向射流，并將主流在對稱面上不同順流位置的速度。及無因次溫度的計算結果
可以看出，計算結果與實驗吻合良好。計算預測到在附近存在回流區，這與結果一致橫向射流結構為了便于比較，將R=0．5時三通管件橫向射流的計算結果也繪于。比較發現，由于主管直徑遠大于射流管，管壁曲率對橫向射流的影響很小．差別僅僅是圓管條件時射流下游回流區更明顯．回流區下游湍動更強烈。
對稱面上混合區附近流體無因次順流速度及無因次溫度的等值線分布。比較兩等值線圖可見，采用溫度描述射流軌跡比用速度更合理，這可以用傳熱與傳質存在物理上的相似性來解釋可見，射流的附壁性是低流速比橫向射流的一個重要特點。由于主流對射流的壓迫作用，射流在出射內已經明顯偏向主流下游方向，射流強烈彎曲并被束縛在貼壁區域；隨著流速比的增大，射流偏斜程序減小，影響深度增大，并將逐漸脫離壁面。還可以看出，在兩股流體相遇的射流迎風面上，流體的溫度梯度最大；在出射孔的下風區，流體的速度梯度最大；射流下風近壁區存在明顯的速度虧損。
出射孔處流體速度分布極為不均，背風側的垂向速度遠大于迎風側；還可觀察到射流出射溫度的不均勻，這主要是由射流偏斜及管壁導熱引起的。隨著流速比的增加，射流的偏斜程度減小。出射速度和溫度趨于均勻。
厚壁管件溫度分布通過流體區域與固體區域的耦合求解，獲得構件溫度場，為對稱面上管件的等溫線圖�？梢钥闯�，在射流管的迎風方向上，等溫線呈現以兩管內相貫線為中心的發散狀分布，溫度梯度最大的位置在內相貫線迎風側。由流體溫度場的分析可知，在兩股流體相遇的射流迎風面上，流體的溫度梯度最大，導致該處管壁的溫度梯度及熱應力也最大；而背風處則由于射流不斷與主流摻混，流體的溫度梯度遠不如迎風處大。因此．穩態工況下迎風側管壁熱應力比背風側更大。
穩態工況的分析，預測瞬態工況下構件溫度的變化特征，進而分析影響熱應力的主要因素。為運行參數及構件的優化設計提供理論依據。以射流開始射入主流為例。射流射人前．構件溫度為主流溫度。射人后，由于主流對射流的壓迫作用，射流迎風側壓力遠大于背風側，射流在射流管內已向背風側偏斜，使得射流管內的邊界層渦環變形并向背風側遷移，最終在射流兩側因主流繞流形成的負壓區處從管壁脫落，逐漸發展為三維對渦。該渦對射流流動的引導導致流體劇烈的能量、動量和渦量輸運，并隨著射流的彎折，在射流的下風處形成強烈的湍動區。另一方面。在射流管下游，主管管壁邊界層厚度重新開始不斷增長，在靠近射流出射孔處的邊界層最薄，壁面換熱極為強烈。此外，當射流射入主管時，由于射流的附壁性，射流下風區主管的近壁流體溫度接近射流溫度。因此，在兩管連接部位的背風側，內壁溫度將由初始的主流溫度迅速變化至接近射流溫度，從而引起對構件的瞬態熱沖擊。
綜上所述，下風區強烈湍動、邊界層重新增長及射流附壁性，是導致瞬態熱沖擊的主要因素，熱沖擊危險區為兩管連接部位背風側的內壁位置。
射流參數的選取相反地，當流速比減小時，入射時射流管內的流體摻混及管壁溫度變化減慢；在射流下游，由于射流核心區變小，射流附壁性的影響也更小，因此，適當減小流速比有利于熱沖擊的改善。
然而，由實驗發現當流速比減小到0．02時，湍動對射流的影響非常大，在射流管內存在強烈的湍流區．流體溫度及管壁溫度均以較大幅度波動。通過數值模擬發現：當R=0時，射流管內存在與主流流向相切的旋渦，當R=0．02時。射流尚不能克服旋渦的影響，導致部分主流流體被卷人射流管內，旋渦導致的強烈湍動和冷熱流體的混合產生較大的溫度脈動，可能引起構件熱疲勞破壞。因此，流速比為0．05是較為合理的運行參數。 |
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