耦合熱邊界層流動及傳熱

控制壁面?zhèn)鳠嵝适窃S多工業(yè)設(shè)備和工程實(shí)踐的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，而國內(nèi)外學(xué)術(shù)界對壁面兩側(cè)耦合熱流動等重要工程問題的研究依然薄弱。本項(xiàng)基金利用尺度分析，直接數(shù)值模擬以及實(shí)驗(yàn)測量等方法開展了壁面一側(cè)和兩側(cè)耦合流動的研究。在該項(xiàng)基金的實(shí)施過程中，已在控制參數(shù)對熱邊界層對流以及傳熱影響研究上取得若干實(shí)質(zhì)進(jìn)展。研究結(jié)果表明兩側(cè)耦合熱邊界層流動可從定常向非定常演化，且該演化過程與瑞利數(shù)和普朗特數(shù)等控制參數(shù)有關(guān)，得到了主要的流動和傳熱的定量依賴關(guān)系式。此外，也獲得了復(fù)雜幾何形狀壁面的一側(cè)熱對流的流動和傳熱的定量刻畫。以上的研究成果可補(bǔ)充現(xiàn)有流體力學(xué)知識的缺失，也為進(jìn)一步的工程設(shè)計提供基礎(chǔ)性設(shè)計思路。研究成果的一部分已分別在國內(nèi)外重要的學(xué)術(shù)會議上進(jìn)行了交流，并已發(fā)表多篇高水平期刊研究論文（10篇SCI和4篇EI期刊論文，見研究成果）。 現(xiàn)有的研究進(jìn)展表明該項(xiàng)基金的研究目標(biāo)和任務(wù)已順利完成。

本項(xiàng)研究將利用分析、數(shù)值以及實(shí)驗(yàn)測量等方法研究耦合熱邊界層從定常層流向非定常周期性流動的演化以及相應(yīng)的傳熱。主要研究內(nèi)容為：基于完成不同控制參數(shù)下的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，分析和認(rèn)識瞬態(tài)耦合熱邊界層內(nèi)流，外流及混合流的基本流動結(jié)構(gòu)；理解耦合熱邊界層不穩(wěn)定流動形成機(jī)制以及垂直壁兩側(cè)不穩(wěn)定流動的相互作用；研究耦合熱邊界層從定常層流到非定常周期性流動演化對控制參數(shù)的依賴，以期獲得臨界瑞利數(shù)與其它控制參數(shù)的定量關(guān)系；研究耦合熱邊界層內(nèi)流，外流及混合流的傳熱對流動控制參數(shù)的依賴關(guān)系。本項(xiàng)研究獲得的成果可以補(bǔ)充和擴(kuò)展流動耦合效應(yīng)方面的流體力學(xué)知識和概念，并可進(jìn)一步應(yīng)用到實(shí)際工業(yè)儀器設(shè)備的設(shè)計中，為其提供設(shè)計思路。

耦合傳熱是指固體壁面和兩側(cè)流體的傳熱。固體壁面和兩側(cè)流體的溫度場將互相影響，通常必須同時確定。

耦合傳熱是指固體壁面和兩側(cè)流體的傳熱。固體壁面和兩側(cè)流體的溫度場將互相影響，通常必須同時確定。通常傳熱問題要在一定邊界條件下求解，然而實(shí)際具體問題往往并非完全如此，隨著固體壁面和兩側(cè)流體間的傳熱，有限厚度或影響區(qū)內(nèi)的溫度場在不斷改變。顯然，固體壁面和液體內(nèi)部的溫度場必須同時求解確定。固體和流體界面很大程度并非問題解的熱邊界條件，實(shí)際上溫度和熱流都是一個更大系統(tǒng)的一部分，即要由固體壁面和兩側(cè)流體在一起的系統(tǒng)共同確定。

流固耦合傳熱計算 的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)流體與固體邊界上的熱量傳遞。由能量守恒可知 ，在流固耦合的交界面 ，固體傳出的熱量應(yīng)等于流體吸收的熱量，因此 ，流固邊界面上的熱量傳遞過程可表示為

在求解流固耦合的瞬態(tài)溫度場時，流體區(qū)域可按準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)流場處理，即不考慮流場的動量和湍方程，則其控制方程式

固體區(qū)域控制方程以其基本導(dǎo)熱方程表示為

流固交界面上不考慮發(fā)生的輻射、燒蝕相變等過程，則流固交界面上滿足能量連續(xù)性條件，即溫度和熱流密度相等。具體控制方程式為

上述構(gòu)成了流固耦合瞬態(tài)溫度場控制方程，可以使用分區(qū)瞬態(tài)緊耦合算法進(jìn)行求解。即在每個[t，t Δt]時間步長內(nèi)，完成如下計算步驟：

1) 假定耦合邊界上的溫度分布，作為流體區(qū)域的邊界條件。

2) 對其中流體區(qū)域進(jìn)行穩(wěn)態(tài)求解，得出耦合邊界上的局部熱流密度和溫度梯度，作為固體區(qū)域的邊界條件。

3) 求解固體區(qū)域，得出耦合邊界上新的溫度分布，作為流體區(qū)域的邊界條件。

4) 重復(fù) 2) 、3) 兩步計算，直到收斂。

流固耦合傳熱緊耦合

Stokos、Hooper、Kazemi-Kamyab等開發(fā)了將流體及固體內(nèi)所有物理過程進(jìn)行瞬態(tài)緊耦合算法，能使計算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度吻合。但是，該瞬態(tài)緊耦合計算需要消耗大量的計算資源，難以用于解決實(shí)際復(fù)雜工程問題。

根據(jù)問題的特征，有些研究者近似認(rèn)為在計算時間內(nèi)，某些參數(shù)的狀態(tài)是不變的，進(jìn)而直接將瞬態(tài)問題轉(zhuǎn)化為穩(wěn)態(tài)問題。對于絕大多說不能通過準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)處理直接轉(zhuǎn)化為穩(wěn)態(tài)問題的瞬態(tài)問題，有些研究者主張保留耦合的非穩(wěn)態(tài)特性，提出各部分分別進(jìn)行瞬態(tài)求解,并通過邊界條件、參數(shù)值及活動網(wǎng)格等方式進(jìn)行實(shí)時信息交互的瞬態(tài)松耦合傳熱問題的求解。如 Bauman 和Kazemi-Kamyab等針對高超聲速流中固體表面帶輻射及燒蝕相變過程的流固耦合強(qiáng)制對流傳熱問題，提出將流體 Navier-Stokes 方程與固體導(dǎo)熱、輻射及燒蝕相變過程分別進(jìn)行瞬態(tài)求解，并利用流體數(shù)值計算結(jié)果對其他求解方程的邊界溫度和熱流加以修正，直至迭代收斂。Lohner 等針對飛機(jī)氣彈分析中帶固體形變的流固耦合傳熱問題，將流體 Navier-Stokes 方程及固體導(dǎo)熱和應(yīng)變方程分別求解，并利用流體數(shù)值計算結(jié)果對其他求解方程的邊界溫度和熱流加以修正，同時利用固體應(yīng)變方程的計算結(jié)果修正流體耦合邊界位置和速度邊界條件，直至迭代收斂。

流固耦合傳熱松耦合

有些研究者提出了基于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)流場的松耦合算法，即近似認(rèn)為在整個流固耦合傳熱過程中，流場處于若干個準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，每一個準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的流場都使用穩(wěn)態(tài) Navier-Stokes 方程求解。如 Kontinos結(jié)合二維邊界單元法和高超聲速計算流體力學(xué)( CFD) 算法的松耦合算法，分析了高超聲速流與機(jī)翼前緣的耦合傳熱問題。Chen 和Zhang等交替進(jìn)行穩(wěn)態(tài)流場計算與固體燒蝕和瞬態(tài)導(dǎo)熱的松耦合算法計算了帶燒蝕的流固耦合傳熱問題。2100433B