不可压混合层中一种增强混合的新方法.doc

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1、不可压混合层中一种增强混合的新方法张东明天津商业大学机械工程学院，天津300134摘要本文提出了一种提高不可压混合层中混合效果的新方法，即把绕流中的卡门涡街现象应用于混合层中。把混合层分离板末端的上面和下面作成突起的两个半圆形（或半个矩形），总体效果是分离板在末端形成一个圆柱（或方柱），上层流体和下层流体绕流柱体，在混合层流动的初始阶段就形成卡门涡街。通过数值计算，可以看到不断有两列大涡从柱体后面脱落,一列位于上层高速流体中,一列位于下层低速流体中,在下游某处速度快的涡旋能够追上速度慢的涡旋,相互合并,形成更大尺度的涡结构,而且在向下游的发展过程中，

2、涡被拉伸、破碎，使上下两层流体更好混合,提高混合效率。关键词混合层增强混合卡门涡街数值模拟引言混合层是一种典型的湍流流动。对于它的研究不仅具有理论意义，而且具有实用价值。混合层广泛存在于多种工程的流动现象中。在一些工程应用上，例如燃烧，需要把燃料和助燃剂混合，这就需要增强混合层的混合效果。流场中的混合根据尺度一般分为三种。最小尺度的混合是分子尺度上的混合，其混合依赖于物理量的空间梯度。稍大一些尺度的混合是流场中小尺度脉动导致的混合。小尺度脉动使流体破碎成许多微团，扩大了流体间的接触面积，因而能促进混合。但小尺度脉动仅仅作用于局部范围，只能增强局部的混

3、合效果。要得到高效率的混合还需要有整个流场尺度的流动结构。大尺度结构具有很强的动量、质量以及热量的传递功能，能够将本地流场的物理量快速地输送至其他地方，从而使得混合的效率得到很大地提高。而且，大尺度结构往往是小尺度结构能量得以维持的重要因素。由于直接控制流场中的小尺度脉动和分子扩散比较困难，所以，人们希望通过控制流场中的大尺度涡结构（相干结构）来达到增强混合的目的。以往人们对提高混合层的混合效果做过不少研究，Wang和Fiedler[1]通过实验发现，在混合层的低速部分借助扬声器，使流速产生周期性振动，可以提高混合效率，增强混合效果。罗纪生，肖左利[

4、2]受上述实验的启发，运用数值模拟的方法研究了二维混合层在入口处加振动对提高混合层混合效率的影响。计算结果表明，对二维混合层，振动频率越低，产生的大尺度涡结构的尺度越大，有利于混合层的混合。本文另辟途径，从绕流柱体的卡门涡街现象出发，来产生大尺度涡结构，以提高混合层的混合效率。页：2一、增混方法介绍把混合层分离板末端的上面和下面作成突起的两个半圆形（或半个矩形），总体效果是分离板在末端形成一个圆柱（或方柱），如图一所示。图一增混方法示意图这样，上层流体和下层流体将绕流柱体，在混合层流动的初始阶段就形成卡门涡街。二、数值计算方法设混合层的上下两层来流速

5、度分别为U1，U2。X方向与来流方向平行，Y方向与来流方向垂直。计算区域如图二所示。计算区域长33.5m，宽25m，被绕流方柱边长为1m，分离板厚度为0.2m，长12.5m。在分离板表面及方柱表面满足无滑移边界条件，U1=50m/s，U2=30m/s。YXU1U2图二混合层计算域示意图在本文中使用FLUENT软件进行计算，其中采用Spalart-Allmaras湍流模型。作为对比，本文还计算了没有方柱时的情况。一、数值计算结果和分析（一）有方柱绕流情况为了比较清楚地观察流动混合的效果，本文采用了速度矢量图，可以观察到大尺度的涡结构。计算结果如图三所示

6、。t=0.1st=0.4st=1.0s图三不同时刻绕流方柱的速度矢量图由计算结果可以看出，在方柱侧后缘产生两列涡，不断脱落，类似于同一速度下绕流柱体产生的卡门涡街，但似乎速度高的一侧流体产生涡的频率、强度要高。涡在向下流迁移过程中，上下两列涡有合并现象，形成更大尺度的涡。这样对混合上下两层流体非常有利，可以使两种流体掺混在一起，扩大流体间的接触面积，增强混合效果。随着向下游的发展，大涡在矢量图上不再很明显，被拉伸或破碎成小尺度的涡，这对混合两种流体也是很有利的。（一）无方柱绕流情况没有方柱，只有平板时，计算结果如图四所示。Figuret=0.1Fig

7、uret=0.4图四不同时刻无方柱绕流速度矢量图由矢量图可以看出，没有卡门涡街产生，只有一个大尺度的涡，虽然也能对混合两层流体起到一定效果，但远不如有方柱绕流时的情形。四、结论由以上计算结果和分析，我们可以归纳出以下结论：通过改变混合层分离板的末端几何形状，形成柱体，出现绕流，生成卡门涡街，产生大尺度的涡，而且在向下游的迁移过程中出现大涡合并现象，最后大涡破碎，这些对增强上下两层流体的混合都是比较有利的。再者，这种方法比较容易实现，不需要消耗能量。因此这是一种提高混合层混合效率的有效方法。参考文献1WangGR,FiedlerHEed.Someflo

8、wphenomenainaconfinedplanewake.In:FiedlerHEed.The2ndIn