[论文解读] DNS of heat transfer in a transitional channel flow accompanied by a turbulent puff-like structure

Takahiro Tsukahara, Kaoru Iwamoto+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2014

Fluid Dynamics and Turbulent Flows参考文献 11被引用 5

一句话总结

本研究采用直接数值模拟（DNS）方法，研究低摩擦雷诺数（Reτ = 60–180）下过渡性通道流中的传热行为，重点关注局部湍流泡状结构的作用。该泡状结构可将湍流维持至Reτ = 60，诱导展向二次流，从而增强动量与传热，即使在极低雷诺数下，其努塞尔数也显著高于层流流动。

ABSTRACT

Direct numerical simulations of turbulent heat transfer in fully-developed channel flows have been performed in a range of friction Reynolds number between 60 and 180, based on the friction velocity and the channel half width $δ$, with emphasis on a puff-like structure, large-scale spatial intermittency. For the Reynolds numbers lower than 80 with a large computational domain of 51.2 x 2 x 22.5, the turbulent puff was observed and its significant influences on the momentum and heat transports were found. The spatial structure of the equilibrium puff, or the localized turbulence, was examined with taking account of two different thermal boundary conditions: the uniform heat-flux heating and the constant temperature difference between the walls. It was revealed that there existed a localized strong turbulent region in the form of an oblique band, along which a spanwise secondary flow was induced. In consequence, at the present lowest Reynolds number as low as 60, the flow remained turbulent and the larger Nusselt numbers than those without puff was obtained by the presence of puff.

研究动机与目标

• 研究局部湍流泡状结构对低雷诺数下过渡性通道流中传热的影响。
• 考察在空间间歇性存在下，该泡状结构如何影响动量与热量输运。
• 对比两种热边界条件下的传热特性：恒定热流密度与恒定壁温差。
• 确定泡状结构是否可在Reτ低至60时维持湍流并增强标量输运。
• 分析二次流与条带状结构在泡状结构湍流区域中的作用。

提出的方法

• 对摩擦雷诺数范围广泛的充分发展通道流进行了直接数值模拟（DNS），Reτ = 60 至 180。
• 采用大计算域（最大达51.2δ × 22.5δ），以解析过渡流中特有的拉长、倾斜的泡状结构。
• 模拟了两种热边界条件：恒定热流密度与壁面间恒定温度差。
• 采用无量纲化壁面单位（y+）分析平均速度与温度分布。
• 基于壁面剪切应力与主流温度，采用标准无量纲定义计算摩擦系数（Cf）与努塞尔数（Nu）。
• 分析泡状结构层流-湍流界面附近湍流与二次流的空间结构。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Reτ ≤ 80时，泡状结构的存在如何影响过渡性通道流中的传热？
• RQ2 由泡状结构诱导的展向二次流在增强动量与热量输运中起何作用？
• RQ3 泡状结构区域的平均速度与温度分布与完全湍流或层流状态下的分布相比如何？
• RQ4 在低雷诺数下，与非泡状结构相比，泡状结构使努塞尔数提高了多少？
• RQ5 泡状结构、条带状结构与局部湍流强化之间存在何种关系？

主要发现

• 泡状结构在Reτ = 60时仍保持稳定，可维持湍流，即使在极低雷诺数下也防止了层流化。
• 一个强湍流区域以约24°倾斜角形成于流向方向的斜带状结构，由展向二次流诱导。
• 泡状结构同时增强摩擦阻力与传热，导致努塞尔数显著高于非泡状流在Reτ ≤ 64时的值。
• 即使在Reτ = 60时，泡状结构的集合平均努塞尔数仍更接近经验湍流关联式，表明传热增强持续存在。
• 泡状结构影响下的平均速度与温度分布表现出较弱的雷诺数依赖性，相较于非泡状情况，对Reτ变化的敏感性降低。
• 在泡状结构的间歇性湍流区域中观察到典型完全湍流流中的条带状结构，表明其与充分发展湍流具有部分相似性。