CN107832260A - 一种平板冲击射流传热问题的数值模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平板冲击射流传热问题的数值模拟方法，包括以下步骤：S1：建立计算模型：根据实验资料建立包含了绝热冲击面和封闭板平板冲击射流模型；S2：对模型划分网格及网格无关性验证；S3：设置湍流模型，选取SSTk‑ω模型与间歇性转捩模型、横向流转捩模型和Kato‑Launder模型进行耦合；S4：根据实际情况设置边界条件和初始值；S5：设置ANSYS‑FLUENT软件的求解方式；S6：运行ANSYS‑FLUENT，获得平板冲击射流在不同高度下的传热分布规律，并以无量纲努塞尔数Nu来表示。该方法通过考虑转捩对冲击射流传热的影响，更加符合冲击射流传热的物理现象，从而提高了计算精度。

Description

一种平板冲击射流传热问题的数值模拟方法

技术领域

本发明涉及流体技术领域，尤其涉及一种平板冲击射流传热问题的数值模拟方法。

背景技术

冲击射流传热现象在民用和军用领域中普遍存在并被广泛应用。由于其在滞止区拥有极薄的边界层，可极大地提高传热效率，因此被广泛应用于如纸张和纺织物干燥、燃气轮机叶片的冷却、高超速飞行器的快速冷却、电子元器件的冷却和机翼除冰等。在军事领域，无人飞机的发射、武器的发射、垂直起降飞机起飞等都与冲击射流现象存在着紧密的关系。对冲击射流现象进行准确的数值模拟，对于在深入理解问题机理基础上进行优化设计具有十分重要的意义。

冲击射流在滞止区受流线强烈弯曲和极大的逆压梯度影响，因此准确地预测传热率的分布一直是冲击射流数值模拟的一个难点，这也成为了湍流模型在计算逆压梯度和分离流方面的标准算例。传热率的大小一般以无量纲数努塞尔数来表示。早期的冲击射流数值计算发现，传统的模型和标准模型在计算平板冲击射流传热问题时，无法准确预测冲击板面的努塞尔数分布。随着计算机计算能力的发展，v2-f湍流模型、大涡模拟湍流模型(LES)、直接数值模拟(DNS)等方法得到了广泛运用，但是在平板冲击射流方面依然很难得得到准确的努塞尔数分布。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种平板冲击射流传热问题的数值模拟方法，包括以下步骤：

S1：建立计算模型：通过扫描仪、网络或计算机输入所要计算问题的设计图纸建立冲击射流的二维平面模型；

S2：对模型划分网格及网格无关性验证；

S3：设置湍流模型：选取SSTk-ω模型与间歇性转捩模型和横向流转捩模型耦合，并选取Kato-Launder模型对湍动能产生项进行修正；

S4：根据实际情况设置边界条件和初始值；

S5：设置ANSYS-FLUENT软件的求解方式；

S6：运行ANSYS-FLUENT，获得平板冲击射流在不同高度下的传热分布规律,并以无量纲努塞尔数Nu来表示。

进一步的，在上述技术方案中，所述S1步骤中，对要计算的计算模型进行简化，由于结构的对称性，建立1/2模型进行计算。

进一步的，在上述技术方案中，所述S2步骤中，采用结构性网格划分计算域，在壁面和对称面处进行网格加密,计算模型的第一层网格距离壁面的无量纲距离y⁺≤2.5。

进一步的，在上述技术方案中，所述S3步骤中，选择的湍流模型采用的RANS连续性方程、动量方程和能量方程，相关表达式如下：

式中：ρ表示密度；μ_t表示涡粘系数；u，u'分别表示速度和脉动速度；C_p表示比热容；K表示导热系数；T和T'分别表示温度和脉动温度；和分别表示雷诺应力张量和湍流热通量矢量。

进一步的，在上述技术方案中，所述S3步骤使用SSTk-ω模型封闭RANS方程,所述SSTk-ω模型在控制方程的基础上，加入了湍动能方程k和比耗散率ω方程,相关表达式如下：

其中：G_k为湍动能产生项；G_ω为ω生成项；Γ_k和Γ_ω代表k和ω的有效扩散率；Y_k和Y_ω代表k和ω的耗散；S_k和S_ω代表k和ω的源项。

进一步的，在上述技术方案中，所述S3步骤中，将间歇性转捩模型和横向流转捩模型与SSTk-ω模型进行耦合，间歇转捩模型的输运方程如下所示：

对于横向流效应，当下式成立时横向流效应才会显现出来；

其中表示横流雷诺数，f(H_S)的定义如下所示：

进一步的，在上述技术方案中，所述S3步骤中，为避免在滞止点处湍动能的过快增长，使用Kato-Launder模型对SST k-ω的湍动能产生项进行修正，如下所示：

G_k＝μ_tS² 式(9)其中

修改后如下所示：

G_k＝μ_tSΩ 式(10)其中

进一步的，在上述技术方案中，所述S4步骤中，所述的根据实际情况设置边界条件和初始值具体为：射流出口的速度和温度，冲击面的温度，由传感器测量输入湍流强度I；根据射流出口的温度，通过查表后输入对应温度下空气的材料属性和普朗特数Pr；湍动能k＝(UI)²，U为射流出口速度，I为湍流强度；比耗散率k为湍动能，l_c＝0.015B，B为喷嘴宽度，C＝0.09。

进一步的，在上述技术方案中，所述S5步骤中，所述的设置ANSYS-FLUENT的求解方式具体为：使用有限体积法对模型进行离散，选择SIMPLE算法对速度和压力进行耦合计算。

进一步的，在上述技术方案中，所述S6步骤中，得到最后一步的仿真结果后，导出表征传热规律的冲击面的局部努塞尔数Nu，表示如下：

其中T_w表示壁面温度；表示入口温度；B表示喷嘴宽度。

本发明中所述ANS连续性方程为雷诺时均RANS连续性方程，所述SSTk-ω为切应力输运方程两方程湍流模型，所述Kato-Launder模型为湍流模型，所述间歇转捩模型是从Transition SST湍流模型发展而来，它相比Transition SST湍流模型的优势是能够模拟横流转捩，所述Transition SST湍流模型为转捩切应力输运湍流模型，所述ANSYS-FLUENT软件为计算流体力学的软件。

选取Kato-Launder模型对湍动能产生项进行修正，能够避免冲击区域内预测的传热率过高现象。

本发明的有益效果是：相比与以往的CFD模拟方法，本发明通过耦合转捩模型得到了更加符合实验的结果，大大提高了计算努塞尔数分布的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图

图1是本次计算的流程图；

图2是网格划分示意图；

图3是H/B＝4的网格无关性；

图4是在两种不同高度下与实验结果对比的冲击板局部努塞尔数分布；

图5是H/B＝4时的流线图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述。

按照图1的计算流程图，下面详细介绍本发明基于ANSYS-FLUENT软件的所述平板冲击射流传热的仿真具体实施方式：

(1)建立计算模型

根据实验资料建立包含了绝热冲击面和封闭板平板冲击射流模型；选取实验模型作为算例验证，取喷嘴宽度为0.04m，冲击高度分别取4倍和9.2倍的喷嘴宽度，冲击板的长度取50倍的喷嘴宽度。

(2)对模型划分网格及网格无关性验证

在ICEM里面进行网格划分，网格类型采用结构型网格，如图2所示。根据选用的SSTk-ω湍流模型选择一组从大到小排列的y⁺进行网格无关性验证，利用ICEM进行网格划分。将划分好的网格导入ANSYS-FLUENT中进行试运算，直到相邻两次y⁺计算的冲击板局部努塞尔数结果相近，则选取较小的y⁺作为最优网格进行下一步计算，结果如图3所示。从图3上可以看出，当y⁺＝0.162时，可以认为结果基本与网格无关。

(3)设置湍流模型

选取SSTk-ω模型与间歇性转捩模型、横向流转捩模型和Kato-Launder模型进行耦合。在ANSYS-FLUENT中，具体做法为：激活能量方程，选取SSTk-ω湍流模型，在Options选项中选中间歇性转捩湍流模型，横流转捩模型和Kato-Launder模型，设置普朗数Pr＝0.72。

(4)根据实际情况设置边界条件和初始值

喷嘴出口设置为速度入口边界条件，入口速度的雷诺数Re采用喷嘴宽度做为特征尺度,Re＝20000。根据实际的空气温度T＝300K修改空气的材料属性。入口处的湍流方法采用湍动能k，比耗散率ω和间歇因子γ。湍动能k_in＝(UI)²,比耗散率C＝0.09，间歇因子γ＝1；出口采用outflow边界条件，出口压力与外界大气压力相等，取为101325Pa。冲击面设置为等温、固定无滑移壁面，设置相应的壁面温度T＝310K。封闭板设置为绝热、固定无滑移壁面；设置普朗特数Pr＝0.72。Reference Value处选择喷嘴出口作为计算来源，同时将特征尺度修改为0.04m。

(5)设置ANSYS-FLUENT软件的求解方式

选取基于压力基的SIMPLE算法对压力和速度进行耦合计算。Gradient离散方式采用Least Squares Cell Based格式；压力采用PRESTO！进行离散；动量和能量离散方式采用二阶迎风格式，间歇性因子采用一阶迎风格式离散。求解残差设置为1e-5，能量残差设置为1e-6。

(6)运行ANSYS-FLUENT，获得平板冲击射流在不同高度下的传热分布规律,并以无量纲努塞尔数(Nu)来表示。将计算得到的两种冲击高度下最后一步的冲击板局部努塞尔数结果导出后，选取冲击高度为喷嘴宽度9.2倍滞止点处的局部努塞尔数作为参考值N_u0，然后进行归一化处理并与实验结果进行对比，如图4所示。从图4上可以看出，计算得到的努塞尔数与实验结果基本吻合，特别是在冲击距离较高的情况下，本发明避免了努塞尔数第二峰值的出现。图5显示了H/B＝4时的流线图。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种平板冲击射流传热问题的数值模拟方法，其特征在于包括以下步骤：

S1：建立计算模型：通过扫描仪、网络或计算机输入所要计算问题的设计图纸建立冲击射流的二维平面模型；

S2：对模型划分网格及网格无关性验证；

S3：设置湍流模型：选取SSTk-ω模型与间歇性转捩模型和横向流转捩模型耦合，并选取Kato-Launder模型对湍动能产生项进行修正；

S4：根据实际情况设置边界条件和初始值；

S5：设置ANSYS-FLUENT软件的求解方式；

S6：运行ANSYS-FLUENT，获得平板冲击射流在不同高度下的传热分布规律,并以无量纲努塞尔数Nu来表示。

2.根据权利要求1所述的平板冲击射流传热问题的数值模拟方法，其特征还在于：所述S1步骤中，对要计算的计算模型进行简化，由于结构的对称性，建立1/2模型进行计算。

3.根据权利要求1所述的平板冲击射流传热问题的数值模拟方法，其特征还在于：所述S2步骤中，采用结构性网格划分计算域，在壁面和对称面处进行网格加密,计算模型的第一层网格距离壁面的无量纲距离y⁺≤2.5。

4.根据权利要求1所述的平板冲击射流传热问题的数值模拟方法，其特征还在于：所述S3步骤中，选择的湍流模型采用的RANS连续性方程、动量方程和能量方程，相关表达式如下：

式中：ρ表示密度；μ_t表示涡粘系数；u，u'分别表示速度和脉动速度；C_p表示比热容；K表示导热系数；T和T'分别表示温度和脉动温度；和分别表示雷诺应力张量和湍流热通量矢量。

5.根据权利要求1所述的平板冲击射流传热问题的数值模拟方法，其特征还在于：所述S3步骤使用SSTk-ω模型封闭RANS方程,所述SSTk-ω模型在控制方程的基础上，加入了湍动能方程k和比耗散率ω方程,相关表达式如下：

其中：G_k为湍动能产生项；G_ω为ω生成项；Γ_k和Γ_ω代表k和ω的有效扩散率；Y_k和Y_ω代表k和ω的耗散；S_k和S_ω代表k和ω的源项。

6.根据权利要求1所述的平板冲击射流传热问题的数值模拟方法，其特征还在于：所述S3步骤中，将间歇性转捩模型和横向流转捩模型与SSTk-ω模型进行耦合，间歇转捩模型的输运方程如下所示：

对于横向流效应，当下式成立时横向流效应才会显现出来；

其中表示横流雷诺数，f(H_S)的定义如下所示：

。

7.根据权利要求1所述的平板冲击射流传热问题的数值模拟方法，其特征还在于：所述S3步骤中，为避免在滞止点处湍动能的过快增长，使用Kato-Launder模型对SST k-ω的湍动能产生项进行修正，如下所示：

G_k＝μ_tS² 式(9)

其中

修改后如下所示：

G_k＝μ_tSΩ 式(10)

其中

8.根据权利要求1所述的平板冲击射流传热问题的数值模拟方法，其特征还在于：所述S4步骤中，所述的根据实际情况设置边界条件和初始值具体为：射流出口的速度和温度，冲击面的温度，由传感器测量输入湍流强度I；根据射流出口的温度，通过查表后输入对应温度下空气的材料属性和普朗特数Pr；湍动能k＝(UI)²，U为射流出口速度，I为湍流强度；比耗散率k为湍动能，l_c＝0.015B，B为喷嘴宽度，C＝0.09。

9.根据权利要求1所述的平板冲击射流传热问题的数值模拟方法，其特征还在于：所述S5步骤中，所述的设置ANSYS-FLUENT的求解方式具体为：使用有限体积法对模型进行离散，选择SIMPLE算法对速度和压力进行耦合计算。

10.根据权利要求1所述的平板冲击射流传热问题的数值模拟方法，其特征还在于：所述S6步骤中，得到最后一步的仿真结果后，导出表征传热规律的冲击面的局部努塞尔数Nu，表示如下：

其中T_w表示壁面温度；表示入口温度；B表示喷嘴宽度。