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厚壁管件温度分布对射流的概括
 
更新时间:2020-12-28 17:20 作者:本站 来源:本站  浏览量:667
 
厚壁管件温度分布对射流的概括
当主流速度一定时,能否通过改变流速比减轻构件热冲击。当流速比增加时,由于射入的流体以更快的速度占据射流管,同时射流管的壁面换热也更加强烈,使其内壁温度更快地趋近射流温度,射流管承受的热冲击增加。对于下游主管,在低流速比下随着射流速度的增加,射流温度因与主流掺混而引起的变化减慢,由于射流的附壁性,使得该处近壁流体的无因次温度更大,也即受射流影响更大,因此下游管壁所承受的热冲击也将更大。由更高流速比下的横向射流研究可知,当流速比达到一定范围时射流将完全脱离壁面,其背风区为主流流体,下游近区的管壁温度几乎不受射流影响,该处管壁所受的热冲击大大减小;但与此同时,射流管承受的热冲击将大幅度增加,因此不宜采用。
  在目前公开发表的横向射流实验数据中.绝大多数都基于风洞或水洞实验获得,主流为圆管内流的实验数据极其有限。为了验证数值计算的可靠性,模拟了置主管为方形截面的非等温横向射流,并将主流在对称面上不同顺流位置的速度。及无因次温度的计算结果  
  可以看出,计算结果与实验吻合良好。计算预测到在附近存在回流区,这与结果一致横向射流结构为了便于比较,将R=0.5时三通管件横向射流的计算结果也绘于。比较发现,由于主管直径远大于射流管,管壁曲率对横向射流的影响很小.差别仅仅是圆管条件时射流下游回流区更明显.回流区下游湍动更强烈。
  对称面上混合区附近流体无因次顺流速度及无因次温度的等值线分布。比较两等值线图可见,采用温度描述射流轨迹比用速度更合理,这可以用传热与传质存在物理上的相似性来解释可见,射流的附壁性是低流速比横向射流的一个重要特点。由于主流对射流的压迫作用,射流在出射内已经明显偏向主流下游方向,射流强烈弯曲并被束缚在贴壁区域;随着流速比的增大,射流偏斜程序减小,影响深度增大,并将逐渐脱离壁面。还可以看出,在两股流体相遇的射流迎风面上,流体的温度梯度最大;在出射孔的下风区,流体的速度梯度最大;射流下风近壁区存在明显的速度亏损。
  出射孔处流体速度分布极为不均,背风侧的垂向速度远大于迎风侧;还可观察到射流出射温度的不均匀,这主要是由射流偏斜及管壁导热引起的。随着流速比的增加,射流的偏斜程度减小。出射速度和温度趋于均匀。
  厚壁管件温度分布通过流体区域与固体区域的耦合求解,获得构件温度场,为对称面上管件的等温线图。可以看出,在射流管的迎风方向上,等温线呈现以两管内相贯线为中心的发散状分布,温度梯度最大的位置在内相贯线迎风侧。由流体温度场的分析可知,在两股流体相遇的射流迎风面上,流体的温度梯度最大,导致该处管壁的温度梯度及热应力也最大;而背风处则由于射流不断与主流掺混,流体的温度梯度远不如迎风处大。因此.稳态工况下迎风侧管壁热应力比背风侧更大。
  稳态工况的分析,预测瞬态工况下构件温度的变化特征,进而分析影响热应力的主要因素。为运行参数及构件的优化设计提供理论依据。以射流开始射入主流为例。射流射人前.构件温度为主流温度。射人后,由于主流对射流的压迫作用,射流迎风侧压力远大于背风侧,射流在射流管内已向背风侧偏斜,使得射流管内的边界层涡环变形并向背风侧迁移,最终在射流两侧因主流绕流形成的负压区处从管壁脱落,逐渐发展为三维对涡。该涡对射流流动的引导导致流体剧烈的能量、动量和涡量输运,并随着射流的弯折,在射流的下风处形成强烈的湍动区。另一方面。在射流管下游,主管管壁边界层厚度重新开始不断增长,在靠近射流出射孔处的边界层最薄,壁面换热极为强烈。此外,当射流射入主管时,由于射流的附壁性,射流下风区主管的近壁流体温度接近射流温度。因此,在两管连接部位的背风侧,内壁温度将由初始的主流温度迅速变化至接近射流温度,从而引起对构件的瞬态热冲击。
  综上所述,下风区强烈湍动、边界层重新增长及射流附壁性,是导致瞬态热冲击的主要因素,热冲击危险区为两管连接部位背风侧的内壁位置。
  射流参数的选取相反地,当流速比减小时,入射时射流管内的流体掺混及管壁温度变化减慢;在射流下游,由于射流核心区变小,射流附壁性的影响也更小,因此,适当减小流速比有利于热冲击的改善。
  然而,由实验发现当流速比减小到0.02时,湍动对射流的影响非常大,在射流管内存在强烈的湍流区.流体温度及管壁温度均以较大幅度波动。通过数值模拟发现:当R=0时,射流管内存在与主流流向相切的旋涡,当R=0.02时。射流尚不能克服旋涡的影响,导致部分主流流体被卷人射流管内,旋涡导致的强烈湍动和冷热流体的混合产生较大的温度脉动,可能引起构件热疲劳破坏。因此,流速比为0.05是较为合理的运行参数。
 



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