[论文解读] Turbulent heat transfer in a channel flow at transitional Reynolds numbers

Takahiro Tsukahara, Hiroshi Kawamura|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2014

Fluid Dynamics and Turbulent Flows参考文献 9被引用 8

一句话总结

本研究利用大规模直接数值模拟（DNS）研究了在过渡雷诺数下的通道流中的湍流换热，重点分析了间歇性湍流泡状结构的作用。结果表明，泡状结构能够维持湍流并增强换热，关键的过渡雷诺数分别为 Reτ ≈ 80（泡状结构开始形成）和 Reτ ≈ 56（层流化阈值），并通过不同计算域尺寸下的壁面摩擦系数和斯特藩数分析得到验证。

ABSTRACT

Direct numerical simulation of a turbulent channel flow with heat transfer was performed at very low Reynolds numbers. Two different thermal boundary conditions were studied, and temperature was considered as a passive scalar. The computations were carried out with huge computational boxes (up to 327.7 x 2 x 128 in the streamwise, wall-normal, and spanwise directions, respectively). The emphases of this paper are to investigate the large-scale structure (puff) in the intermittent-turbulent flow including the scalar fields and to provide the values of the transitional and critical Reynolds numbers, below which the turbulent flow becomes intermittent and laminar, respectively. The statistics, such as the skin friction and the Stanton number, were also examined: they suggest that the puff should be effective in sustaining turbulence and in heat transfer enhancement.

研究动机与目标

• 研究在传热条件下，过渡通道流中大尺度湍流泡状结构的形成及其影响。
• 确定湍流呈现间歇性与完全层流状态的过渡及临界雷诺数（Reτ）。
• 考察泡状结构对低雷诺数流动中换热增强与壁面摩擦的影响。
• 通过使用大计算域来验证泡状结构的鲁棒性，以完整捕捉其空间发展过程。
• 对比两种热边界条件——均匀热流（UHF）与恒定温差（CTD）——及其对标量场与速度场统计特性的影响。

提出的方法

• 对具有恒定流体物性及普朗特数 Pr = 0.71 的充分发展通道流进行直接数值模拟（DNS）。
• 采用两种热边界条件：壁面均一热流（UHF）和壁面间恒定温差（CTD）。
• 使用大计算域（最大达 327.68δ × 2δ × 128δ）以解析湍流泡状结构的完整空间尺度，确保流向与展向采用周期性边界条件。
• 在壁面法向方向采用非均匀网格加密，流向与展向采用均匀网格，以精确解析大尺度结构。
• 使用壁面单位（如 u⁺、θ⁺）进行无量纲化，并计算平均速度、温度、壁面摩擦系数（Cf）与斯特藩数（St）等集合平均统计量。
• 从较高的 Reτ 值开始初始化模拟，并逐步降低至更低的 Reτ 值，以确保收敛并获得统计稳态的标量场。

实验结果

研究问题

• RQ1 在传热通道流中，湍流泡状结构首次出现的雷诺数是多少？
• RQ2 在过渡区域内，壁面摩擦系数与斯特藩数如何变化？泡状结构在维持湍流与增强换热中起到何种作用？
• RQ3 不同的热边界条件（UHF 与 CTD）如何影响标量与速度脉动的组织化与间歇性？
• RQ4 计算域尺寸与域分辨率在多大程度上影响过渡流中观测到的统计特性？
• RQ5 在何种临界雷诺数以下，流动将从间歇性湍流转变为完全层流？

主要发现

• 通过使用 327.68δ × 2δ × 128δ 的大计算域，确认了湍流泡状结构是真实物理现象，而非域尺寸受限导致的人工效应。
• 过渡雷诺数 Reτ ≈ 80 标志着泡状结构的形成起点，泡状结构在通道截面上维持局部湍流。
• 临界雷诺数 Reτ ≈ 56 对应层流化阈值，低于此值时泡状结构消失，流动完全变为层流。
• 在大域中（包含泡状结构）计算得到的壁面摩擦系数（Cf）与斯特藩数（St）表现出渐变特性，即使在 Reₘ < 2000 时仍与经验关联式保持接近，表明泡状结构在维持湍流中起关键作用。
• 在 UHF 条件下，温度脉动 θ′ 与速度脉动 u′ 密切对应，表明泡状区域动量输运与热输运之间存在强耦合。
• 在 CTD 情况下，当 Reτ = 56 时，湍流区域前方出现明显的热条纹，表明在湍流区域及其邻近区域壁面法向热通量增强，从而提高了换热效率。