李 輝, 劉宗凱, 周本謀, 江 勇

(1.南京理工大學(xué) 先進(jìn)發(fā)射協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210094; 2.南京理工大學(xué) 瞬態(tài)物理重點實驗室,南京 210094)

流向電磁力作用下圓柱繞流對流換熱的特性研究

李 輝1,2, 劉宗凱1,2, 周本謀2, 江 勇2

(1.南京理工大學(xué) 先進(jìn)發(fā)射協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210094; 2.南京理工大學(xué) 瞬態(tài)物理重點實驗室,南京 210094)

以往對對流換熱的研究主要從傳熱學(xué)和來流速度角度進(jìn)行,鮮有對電磁力作用下圓柱繞流對流換熱效率進(jìn)行的研究,而這些研究恰恰關(guān)系到對流傳熱效率的提高.基于對流換熱的能量方程和電磁流體控制的基本控制方程,利用有限元法對電磁力控制繞流圓柱對流換熱特性進(jìn)行了數(shù)值分析.研究結(jié)果表明:在圓柱周圍施加流向電磁力后,流向電磁力的作用參數(shù)01.8時,傳熱功率隨電磁力增大不斷變大.通過分析流體的流動情況,發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生這種結(jié)果是由于隨著電磁力增大,圓柱周圍流體流速增大的同時,渦街逐漸被抑制,分離點不斷后移,致使對流換熱功率出現(xiàn)這樣的變化規(guī)律.

圓柱繞流; 流向電磁力; 對流換熱

為了應(yīng)對未來新型武器的威脅,激光武器的研發(fā)不斷更新.激光武器通過高能激光直接對目標(biāo)特定部位進(jìn)行照射,使大量的光子聚焦在目標(biāo)點上,致使其表面熱量迅速飆升達(dá)到破壞閥值進(jìn)而將目標(biāo)摧毀.而淺水中或近水面航行的航行器在受激光武器打擊時,流動狀態(tài)、來流的物理性質(zhì)以及擾流物體的表面幾何因素都是影響實際激光毀傷效能的因素.本文主要將模型簡化為二維圓柱繞流來研究對流換熱的能量損失情況.對流換熱依靠流體質(zhì)點的移動進(jìn)行熱量傳遞,與流體的流動情況密切相關(guān)[1].在工程應(yīng)用中,為了降低運(yùn)行成本,強(qiáng)化對流換熱的方法不斷被提出,如李強(qiáng)等[2]提出的外磁場流體作用磁流體、Jin等[3]和俞接成等[4]提出的改變熱源的震動頻率、劉幼幼等[5]提出的納米流體強(qiáng)化傳熱,以及文獻(xiàn)[1]和賴海清等[6]提出的增大流場來流速度.

電磁力作用下的圓柱繞流就是指在圓柱周圍導(dǎo)電液體中通過電磁激活板激勵出電磁力,作用于圓柱周圍的液體達(dá)到調(diào)控圓柱體繞流流場的分布[7-9].本文研究在電解質(zhì)溶液中通電后,形成作用于流體的電磁力場,當(dāng)電磁力的方向與來流方向平行時,增加近壁面流體的動量,從而實現(xiàn)控制圓柱繞流流場,達(dá)到改變流場速度分布、減少阻力[10-12]等目的.

本文根據(jù)圓柱繞流對流換熱的功率隨著雷諾數(shù)的增大而增大這一規(guī)律,結(jié)合流向電磁力能夠增加近壁面流體動量的特性,展開了在圓柱周圍施加流向電磁力對圓柱繞流對流換熱功率影響的研究.

1 幾何模型和控制方程

1.1 幾何模型

幾何模型的流場區(qū)域長為0.22 m,寬為0.15 m,圓柱半徑為0.005 m,如圖1所示,圖中,D為圓柱直徑.

1.2 控制方程

能量方程

(1)

式中:λ為導(dǎo)熱系數(shù);cp為比定壓熱容;ρ為流體密度;T為流體溫度;u和v分別為沿x和y軸方向的速度.

圖1 圓柱繞流流場幾何模型圖

Nu=cRemPr1/3

(2)

(3)

式中:Q0為熱對流傳熱功率的理論值;Re為雷諾數(shù);Pr為普朗特數(shù);Nu為努塞爾數(shù);Tw為圓柱壁面溫度;T為來流溫度;c和m為參數(shù),取決于Re,當(dāng)40

可得到

(4)

由式(4)可得,圓柱繞流的對流換熱功率隨著Re的增大而增大.

(5)

式中:D為圓柱直徑;μ為粘度系數(shù),得到Re是隨著來流速度的增大而增大,由此可知熱對流功率隨著來流速度的增大而增大.

施加電磁力后流體的流動控制方程為

(6)

(7)

(8)

從式(8)可以看出,電磁力作用參數(shù)N隨著電場強(qiáng)度的變化而變化.電磁力F的值在覆蓋范圍內(nèi)(0.005m

(9)

2 數(shù)值計算

本文借助數(shù)值仿真研究Re=100時,改變電磁力的大小對對流換熱效率的影響.

圖2為流場的網(wǎng)格劃分圖,整體流場網(wǎng)格劃分如圖2(a)所示,對圓柱周圍進(jìn)行局部加密和對尾流場進(jìn)行加密處理,圓柱周圍加密網(wǎng)格如圖2(b)所示.

圖3為Re=100時,不同電磁力作用下的溫度分布圖.由圖3可以看出,隨著電磁力作用參數(shù)逐漸增大,溫度在圓柱尾跡中的分布振幅越小,被加熱后的液體遠(yuǎn)離圓柱越快.因為振幅減小,加熱的流體質(zhì)點所需要走的路程變小,對流換熱的功率也將隨之變化.將各個N值對應(yīng)的對流換熱功率Q導(dǎo)出,得到圖4(a)電磁力作用參數(shù)與對流換熱功率曲線圖.

圖2 流場的網(wǎng)格劃分圖

圖3 不同電磁力作用下的溫度分布圖

圖4 對流換熱功率隨電磁力作用參數(shù)變化曲線圖和圓柱繞流分離逐漸后移圖

圖4為Re=100時,對流換熱功率隨電磁力作用參數(shù)變化的曲線圖和電磁力增大圓柱繞流分離逐漸后移圖.由圖4可以看出,流向電磁力的作用參數(shù)01.8時,對流換熱功率又隨著流向電磁力作用參數(shù)的增大而增大.對流換熱功率隨電磁力作用參數(shù)變化出現(xiàn)拐點,由于當(dāng)0.8

圖5為Re=100時,不同電磁力作用下的渦量圖.圖5(a)為未施加電磁力時,明顯的卡門渦街特征.從圖5(b)到圖5(f)電磁力逐漸加大,電磁力覆蓋范圍內(nèi)的流體隨著電磁力的增大將獲得更多的動能,致使圓柱周圍及其下游流體速度更快,當(dāng)?shù)綀D5(f)時,渦街已經(jīng)全部消失.

圖6(見下頁)為Re=100時,不同電磁力作用下的流向速度分布.由這6幅圖的比較可以發(fā)現(xiàn),隨著電磁力增大,圓柱周圍的流速加快,尾流場的振幅減小,流場越來越穩(wěn)定.觀察圖3,與圖6比較,這兩組圖有著很大的關(guān)聯(lián)性,流場的低溫區(qū)域?qū)?yīng)著遠(yuǎn)離圓柱區(qū)域和高流速區(qū)域,而高溫區(qū)域?qū)?yīng)著流場的近壁面區(qū)域和低流速區(qū)域.正如式(4)和式(5),隨著來流速度增大,圓柱周圍的速度也增大,進(jìn)而對流換熱功率也增大.出現(xiàn)這種情況的原因是流速較高的區(qū)域在獲得熱量后迅速離開,使上游低溫液體留下來,從而導(dǎo)致這一區(qū)域溫度較低;而流速較低的區(qū)域,該區(qū)域的液體與高溫液體接觸的時間比較長,會得到更多的熱量,致使該區(qū)域的溫度較高.而在圓柱周圍施加流向電磁力,同樣也增大了圓柱周圍液體的流速.而隨著電磁力增大,使得圓柱周圍電磁力覆蓋區(qū)域液體流速更大,導(dǎo)致該區(qū)域的液體溫度比較低,液體與圓柱的溫差較大,圓柱向液體的傳熱功率較大.所以可以得出結(jié)論,流向電磁力的作用參數(shù)01.8時,隨著電磁力的加大,流向電磁力覆蓋區(qū)域獲得更多的動能,速度越快,熱對流換熱的功率越大.而在作用參數(shù)0.8

圖5 不同電磁力作用下的渦量圖

圖6 不同電磁力作用下的流向速度分布圖

3 結(jié) 論

在弱電解質(zhì)溶液(海水等)中,通過在圓柱上排布電極和磁極相互交錯分布的電磁場激活板,施加流向電磁力改變流體的流動特性,進(jìn)而改變對流換熱功率.而對流換熱功率也并不完全隨著電磁力增大而增大,具體如下:

a. 當(dāng)流向電磁力的作用參數(shù)由0逐漸增加到0.8時,對流換熱功率隨之增大;

b. 當(dāng)作用參數(shù)由0.8逐漸增加到1.8時,渦街逐漸被完全抑制,對流換熱功率逐漸減小;

c. 當(dāng)電磁力作用參數(shù)由1.8繼續(xù)增大時,對流換熱功率隨之增大.

本文對流向電磁力作用下圓柱繞流對流換熱的特性進(jìn)行研究,結(jié)果表明電磁流體控制可作為一種主動控制對流換熱的有效手段,為接下來航行器對流換熱的實驗提供了理論依據(jù).

[1] 英克魯佩勒,德維特,伯格曼,等.傳熱和傳質(zhì)基本原理[M].葛新石,葉宏,譯.6版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007:261-269.

[2] 李強(qiáng),宣益民.外磁場作用下磁流體的對流換熱特性[J].工程熱物理學(xué)報,2008,29(7):1177-1180.

[3] JIN D X,LEE Y P,LEE D Y.Effects of the pulsating flow agitation on the heat transfer in a triangular grooved channel[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2007,50(15/16):3062-3071.

[4] 俞接成,李志信,邢程.流體低速繞流振動圓柱對流換熱數(shù)值研究[J].工程熱物理學(xué)報,2006,27(4):670-672.

[5] 劉幼幼,郁鴻凌,董偉,等.納米流體應(yīng)用于電場強(qiáng)化傳熱的試驗研究[J].上海理工大學(xué)學(xué)報,2008,30(5):439-442.

[6] 賴海清,張東輝,陳寧,等.基于ISIGHT圓柱繞流的換熱強(qiáng)化與減阻優(yōu)化設(shè)計[J].艦船科學(xué)技術(shù),2015,37(1):93-97.

[7] WEIER T,GERBETH G,MUTSCHKE G,et al.Experiments on cylinder wake stabilization in an electrolyte solution by means of electromagnetic forces localized on the cylinder surface[J].Experimental Thermal and Fluid Science,1998,16(1/2):84-91.

[8] ZHANGH,FAN B C,CHEN Z H,et al.Suppression of flow separation around a circular cylinder by utilizing Lorentz force[J].China Ocean Engineering,2008,22(1):87-95.

[9] LECORDIER J C,BROWNE L W B,LE MASSON S,et al.Control of vortex shedding by thermal effect at low Reynolds Numbers[J].Experimental Thermal and Fluid Science,2000,21(4):227-237.

[10] 丁漢新,范寶春,周本謀,等.圓柱繞流的邊界層及其電磁控制[J].南京理工大學(xué)學(xué)報,2005,29(3):308-311.

[11] KIM S J,LEE C M.Control of flows around a circular cylinder:suppression of oscillatory lift force[J].Fluid Dynamics Research,2001,29(1):47-63.

[12] 周本謀,范寶春,陳志華,等.電磁力連續(xù)控制圓柱繞流態(tài)變化的研究[J].流體力學(xué)實驗與測量,2004,18(1):10-14.

(編輯:丁紅藝)

Convective Heat Transfer Characteristics of the Flow Around a Circular Cylinder Under the Action of Electromagnetic Force

LI Hui1,2, LIU Zongkai1,2, ZHOU Benmou1, JIANG Yong1

(1.AdvancedLaunchCollaborativeInnovationCenter,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210094,China; 2.ScienceandTechnologyonTransientPhysicsLaboratory,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210094,China)

Previous studies have been carried out mainly from the viewpoint of heat transfer and flow velocity,and few studies focused on the convective heat transfer efficiency.The convective heat transfer characteristics of a circular cylinder under the action of electromagnetic force was numerically studied with the finite element method based on the energy equation of convection heat transfer and basic governing equations of electromagnetic fluid control.The results show that the heat transfer power increases with the increasing of the electromagnetic force when 01.8,the heat transfer power increases with the increasing of the electromagnetic force.By analyzing the flow of the fluid,it’s found that the variation of the convective heat transfer power is due to the continuous sinking of the separation point.As the electromagnetic force gradually increases and the fluid velocity around the cylinder increases,the vortex street will gradually be inhibited and the separation point will continue to sink.

flowaroundacircularcylinder;electromagneticforce;convectiveheattransfer

1007-6735(2017)02-0132-05

10.13255/j.cnki.jusst.2017.02.006

2016-06-03

江蘇省自然科學(xué)青年基金資助項目(BK20140792);中國博士后基金資助項目(2015M571756);江蘇省博士后基金資助項目(1401123C)

李 輝(1990-),男,碩士研究生.研究方向:電磁流體控制.E-mail:1103583644@qq.com

劉宗凱(1983-),男,講師.研究方向:高精度激光隨動控制.E-mail:kfliukai@126.com

O 361; TK 124

A