不同台阶倾斜角对二维后向台阶流动传热特性的影响文献综述

文献综述

1.国内外研究现状及发展趋势：

具有分离流和再附着的后向台阶流动是工程中常见的复杂流动现象.国内外有许多学者对后向台阶流动现象进行过实验和数值模拟研究.在以往的实验观测研究中，主要利用热丝（热膜）测速计[1-2]、激光测速仪[3-4]对气流或水流作时均流速 分布观测.给出了流动的时均特性，而对其流场瞬 态流动观测的有关文献较少；这些流动测量显示技 术总是不能同时得到满意的空间分辨率和瞬态流 动图像.虽然激光（LDA）单点测速技术其精度可 达0. 1 % ~ 1 %，但无法提供瞬态流场图案；而烟线 法或频闪摄像等虽可得到流场图像，但空间分辨率 很低，无法对一些物理量进行定量分析.PIV就是在这样的测量技术发展需求情况下产生的，PIV不 仅可以显示流场的瞬态图像，而且空间分辨率可达0. 2%~2%,是研究后向台阶这类具有分离流复杂 流动结构的理想观测技术.

后向台阶在工程上是用于研究分离流动和强化传热的常用几何模型之一。近年来，对后向台阶流动传热特性的研究不仅仅停留在不同流态下（分别为层流、过渡流、湍流）的研究，改变后向台阶参数结构的研究也大量涌现，如改变普朗特数、扩张比、宽高比等。

对于后向台阶流，国内外已经有许多学者进行了各个方向的研究。1983年，Armly等[3]首次对后向台阶模型(ER=1.94)分别进行了试验研究和数值模拟，发现低雷诺数下数值模拟结果和试验结果吻合。Kung K Y[5]等人研究了二阶粘弹性流体在倾斜后台阶上的瞬态混合对流。文献[6]研究表明在湍流区域，再附着点位置主要受台阶扩张比的影响。文献[7]通过试验和数值方式对后向台阶的湍流流动现象进行 了预测，对流场中大尺度旋涡之间，旋涡与近壁区域和回流区 域之间的相互作用提出了新的见解。 Chen Y T[8]研究了倾斜后向台阶附近的三元对流，在低雷诺数范围，雷诺数、台阶扩张比、再附着点位置之间存在确定关系， 在高雷诺数范围，主回流区长度只取决于扩张比，这些关系可 用于验证湍流模型和新的数值计算方法。Nassab S A G等人[9]对管道中倾斜向前台阶附近的湍流强迫对流进行了研究。Atashafrooz M[10]进行了考虑气体辐射效应的层流双倾斜台阶强制对流的数值分析。Jaromiacute;r[11]通过实验研究了反向倾斜台阶通道内湍流流动。Babak A A[12]等人进行了散热气在倾斜的后台使用blocked-off方法步骤强制对流实验。RUPESH B. KOTAPATI[13]等人对后向倾斜台阶流动进行格子Boltzmann模拟。Mushyam A[14]等人完成了倾斜台阶上层流流动的数值研究。Montazer E[15]发表了后台阶流动现象及其优化研究综述。Biswas G等人[16]研究比较了低、中等雷诺兹数下各种展开比的后向台阶流动。文 献[17]对层流状态下的换热特性数值模拟后，指出局部努塞尔 数的峰值不一定与再附着点重合或位于再附着点附近，此外还 系统地研究了台阶扩张比、雷诺数、普朗特数的改变对传热的 影响。黄明海等人[18]利用PIV技术，对雷诺数(150Re6500)范围二维后向台阶的流动进行了详细观测。齐鄂荣[19-20]等人研究了二维后向台阶流的旋涡结构和流动特性。胡岳等人[21]研究了分离涡流场数值仿真的参数影响。刘应征等人[22]进行了后台阶分离再附湍流流动的实验研究。郝俪娟等人[23]进行了后台阶及方形钝体绕流湍流场数值模拟及PIV实验研究。仲敏波等人[24-28]总结了后向台阶分离流动及强化传热的研究进展，进行了二维后向台阶层流传热特性的数值模拟，研究了过渡流下后向台阶壁面传热的时均特性和流动与瞬态传热特性，总结了流动特性以及传热机理。

后向台阶在过渡流状态时流动的特殊性，基于湍流的流动 传热机理已不完全适用于过渡流，所以对过渡流时后向台阶传 热特性的研究一直是传热领域的难点。文献[25]通过直接数值 模拟研究了 650le;Ｒele;1500 的过渡流范围，二维后向台阶底面 的时均传热特性，并结合流场中的流动结构对时均传热特性规 律做了分析。然而，针对过渡流下后向台阶传热特性的三维数 值模拟和试验研究极少，进一步开展这两方面的研究对解明后向台阶在过渡流状态下的传热机理非常重要。

2.课题研究意义及应用价值

在当今国际社会积极应对能源短缺，提高能源利用效率的背景下，换热设备作为工业上广泛应用的热量传递设备，正向着高效、小型的方向发展。管内换热设备小型化后，管内将会出现更多的过渡流状态。过渡流是流体的一种流动状态。

在液体流动中：当流速很小时，流体分层流动，互不混合，称为层流，或称为片流；逐渐增加流速，流体的流线开始出现波浪状的摆动，摆动的频率及振幅随流速的增加而增加，此种流况称为过渡流；当流速增加到很大时，流线不再清楚可辨，流场中有许多小漩涡，称为湍流，又称为乱流、扰流或紊流。