耦合熱邊界層流動(dòng)及傳熱結(jié)題摘要

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(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界對(duì)壁面兩側(cè)耦合熱流動(dòng)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(cè)量等方法開展了壁面一側(cè)和兩側(cè)耦合流動(dòng)的研究。在該項(xiàng)基金的實(shí)施過程中，已在控制參數(shù)對(duì)熱邊界層對(duì)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(dòng)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?cái)?shù)等控制參數(shù)有關(guān)，得到了主要的流動(dòng)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(duì)流的流動(dòng)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(shí)的缺失，也為進(jìn)一步的工程設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)性設(shè)計(jì)思路。研究成果的一部分已分別在國(guó)內(nèi)外重要的學(xué)術(shù)會(huì)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(cè)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(dòng)的演化以及相應(yīng)的傳熱。主要研究?jī)?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(shí)瞬態(tài)耦合熱邊界層內(nèi)流，外流及混合流的基本流動(dòng)結(jié)構(gòu)；理解耦合熱邊界層不穩(wěn)定流動(dòng)形成機(jī)制以及垂直壁兩側(cè)不穩(wěn)定流動(dòng)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(dòng)演化對(duì)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(duì)流動(dòng)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(dòng)耦合效應(yīng)方面的流體力學(xué)知識(shí)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(jì)中，為其提供設(shè)計(jì)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(chǎng)將互相影響，通常必須同時(shí)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(chǎng)將互相影響，通常必須同時(shí)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(chǎng)在不斷改變。顯然，固體壁面和液體內(nèi)部的溫度場(chǎng)必須同時(shí)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(gè)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(jì)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(chǎng)時(shí)，流體區(qū)域可按準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)處理，即不考慮流場(chǎng)的動(dòng)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(chǎng)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(gè)[t，t Δt]時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)，完成如下計(jì)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(duì)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(jì)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(jì)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(jì)算需要消耗大量的計(jì)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(jì)算時(shí)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(duì)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(dòng)網(wǎng)格等方式進(jìn)行實(shí)時(shí)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(duì)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(duì)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(jì)算結(jié)果對(duì)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(duì)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(jì)算結(jié)果對(duì)其他求解方程的邊界溫度和熱流加以修正，同時(shí)利用固體應(yīng)變方程的計(jì)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(chǎng)的松耦合算法，即近似認(rèn)為在整個(gè)流固耦合傳熱過程中，流場(chǎng)處于若干個(gè)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，每一個(gè)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的流場(chǎng)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(jì)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(chǎng)計(jì)算與固體燒蝕和瞬態(tài)導(dǎo)熱的松耦合算法計(jì)算了帶燒蝕的流固耦合傳熱問題。2100433B