方管内壁脱离式60°发散肋条尾流流动动力学特性研究

《Experimental Thermal and Fluid Science》：Flow dynamics near 60° divergent ribs detached from a wall in a square duct

　　

中文专业摘要翻译 研究了安装在方管单壁上的脱离式60°发散肋条（divergent ribs）下游的湍流尾流，重点关注湍流运动、相干结构（coherent structures）、涡动力学（vortex dynamics）与时间组织，以及大尺度湍流结构的时空特性。研究采用时间分辨粒子图像测速（TR-PIV）、热线风速仪（HWA）和激光多普勒测速（LDA），在基于肋高和平均体积流速的雷诺数（Reynolds number）为5000条件下，变化间隙与肋高比（c/kr）于0.1至1.0范围内。尾流中的湍流流场呈现各向异性湍流状态。涡旋结构主要源自上、下分离剪切层。在管道对称平面内，二次流诱导的下洗（downwash）限制了涡旋的垂向增长，形成一串规则的紧凑涡旋，且这些涡旋基本被限制在肋顶高度以下。功率谱密度（PSD）分析显示，当c/kr≥0.3时尾流中存在规则的涡旋运动，斯特劳哈尔数（Strouhal number）随间隙减小从0.17增大至0.22，表明涡旋受到更强的空间约束。尽管最大间隙比下PSD幅值峰减弱，但垂向速度的双峰分布证实了持续的有组织脱落。远离对称平面处，较弱的下洗和横向输运破坏了这种组织性，导致涡旋结构更小、更密集且更不规则。然而，与核心区和尾流之间流体输运相关的湍流运动并未因涡旋规则性的丧失而受到影响。

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一、研究背景与问题

在太阳能、核能或燃气发电厂的热交换器部件中，矩形冷却通道内壁面常采用肋条结构以增强对流换热，从而在维持材料最高温度限制的前提下实现高热流密度和高工作流体温度。数十年来，肋粗化通道中的湍流流动物理与换热特性一直是深入研究的重要课题。将壁面安装的（即附着式）发散肋条（也称V形肋条）布置于矩形通道壁面，能够通过几何诱导的二次流动、高平均速度和强烈的湍流混合，实现通道核心区与近壁区域之间充分的流体交换，因而非常适合强化换热。然而，附着式肋条的缺点包括额外的压降和摩擦损失，以及在节点附近或回流区形成流动滞止点。流动滞止导致动量和能量输运减弱，造成局部换热最小值和不均匀的表面温度分布。

将肋条与壁面之间留出一定间隙（即脱离式肋条）是防止流动滞止和换热退化的有效方法。间隙流动以壁面射流形式进入肋间区域，决定沿壁面的剪切层发展，并与从肋条下游分离进入尾流的剪切层相互作用。在前期伴随研究中，研究人员基于高阶统计矩，详细考察了方管内脱离式发散肋条在不同间隙与肋高比（c/k_r）下的时均流场，发现c/k_r是控制湍流流场的关键参数，通过改变二次流强度和剪切层发展来从根本上影响流场特性，并揭示了雷诺应力与三阶速度相关的空间分布。然而，前期研究仅限于时均统计量，未能解析这些统计分布背后的湍流运动本质，特别是相干涡旋结构的形成与演化、其时间组织与涡动力学，以及肋条尾流中大尺度湍流结构的时空相干性。因此，二次流、分离剪切层与相干涡旋结构之间控制脱离式发散肋条尾流动力学的相互作用机制仍不清楚。

二、研究目的与意义

尾流动力学（如不同尺度流动结构的规则脱落或周期性流动运动）强烈依赖于间隙与肋高比c/k_r，并决定近壁区域及尾流中的湍流输运和换热特性。既有研究表明，对于脱离式横向方柱（即单个脱离式横向方肋），在足够高的雷诺数下，前缘附近的Kelvin–Helmholtz（KH）不稳定性诱导KH涡在上、下剪切层中发展形成涡链，并在肋后缘处卷入尾流中von Kármán（VK）涡街大尺度涡旋结构的生成过程，实现规则脱落。随着间隙比减小，间隙内平均流速因壁面靠近而降低，下剪切层纵向拉伸而上剪切层几乎不受影响；当c/k_r<0.6时，大尺度涡旋结构的形成位置向下游移动，下剪切层间歇性再附着于柱体下表面，破坏大尺度涡旋结构的发展并导致脱落的不规则性。然而，对于发散（V形）肋构型，特别是脱离式发散肋条在方管受限通道中的尾流动力学特性，尚缺乏系统认识。本研究旨在通过实验手段解析脱离式发散肋条尾流中的湍流运动、相干结构、涡动力学及大尺度湍流结构的时空特性，揭示间隙比对尾流动力学和湍流输运的调控机制。

三、主要技术方法

研究人员采用三种互补的实验测量技术开展研究：时间分辨粒子图像测速（TR-PIV）用于获取尾流区域高时间分辨率的二维速度场；热线风速仪（HWA）用于单点高频速度脉动测量；激光多普勒测速（LDA）用于精确的时均和脉动速度统计。实验在基于肋高和平均体积流速的雷诺数（Reynolds number）为5000条件下进行，间隙与肋高比（c/k_r）变化范围为0.1至1.0。

四、研究结果

尾流湍流状态与涡旋来源：尾流中的湍流流场呈现各向异性湍流状态。涡旋结构主要源自上、下分离剪切层，这与脱离式横向柱体的涡生成机制一致。

对称平面内的涡旋组织：在管道对称平面内，二次流诱导的下洗作用限制了涡旋的垂向增长，形成一串规则的紧凑涡旋链，且这些涡旋基本被限制在肋顶高度以下。这表明二次流对涡旋的垂向发展具有强约束作用。

涡脱落频率特性：功率谱密度（PSD）分析揭示了尾流中规则的涡旋运动。当c/k_r≥0.3时，斯特劳哈尔数（Strouhal number）从0.17增大至0.22（随间隙减小），表明涡旋受到更强的空间约束，脱落频率相应提高。尽管最大间隙比下PSD幅值峰减弱，但垂向速度的双峰分布证实了持续的有组织脱落仍然存在。

非对称平面区域的涡旋特征：远离对称平面处，下洗作用减弱且存在横向输运，破坏了涡旋的组织性，导致涡旋结构更小、更密集且更不规则。这表明三维效应在偏离对称平面的区域显著增强。

湍流输运的稳健性：尽管涡旋规则性在远离对称平面的区域丧失，但与通道核心区和尾流之间流体输运相关的湍流运动并未受到影响，说明该区域的湍流混合和输运能力对涡旋规则性的变化不敏感。

五、讨论与结论

研究结果表明，间隙比c/k_r是控制脱离式发散肋条尾流动力学的主导参数。在对称平面内，二次流诱导的下洗对涡旋的垂向约束形成了规则的紧凑涡旋链，涡脱落频率随间隙减小而增大，体现了更强的空间限制效应。在远离对称平面的区域，三维流动效应破坏涡旋的规则性，但湍流输运能力保持稳健。这一发现对于理解肋粗化通道中的湍流混合和换热增强机制具有重要意义：即使涡旋脱落规则性降低，核心区与尾流之间的流体交换仍能有效维持，为工程应用中优化肋条间隙参数提供了流动物理依据。