基于ISIGHT圆柱绕流的换热强化与减阻优化设计

赖海清，张东辉，陈 宁，石 珊

(江苏科技大学 能源与动力工程学院，江苏 镇江212003)

0 引 言

在能源开发利用中，热量传递现象十分普遍，强化换热技术得到发展。对于对流换热强化问题，需寻求换热性能和流动阻力的最佳权衡，它与具体结构配置紧密相关。研究表明:利用圆柱强化对流换热能带来更好的强化换热效果，比如纵向涡发生器、换热器、涡轮叶片冷却结构中的扰流柱、微肋管等［1］。在过去20年中，研究者们对双圆柱绕流的气动特性进行了大量的实验研究和数值计算。Stephen Wornom［2］研究了表明光滑单圆柱体的阻力系数Cd 与雷诺数Re 有很大关系。当Re 很小时，无漩涡发生，Cd 与Re 成反比;Re 增至104时，压强阻力是主要的，故绕流阻力几乎与Re 无关。Zukauskas［3］发现在叉排管束中，流体流动非常类似在交替收缩与扩张的弯曲通道中流动，产生强烈的扰动，可抵消阴影效应的影响，使叉排情况换热相应变得强烈，但阻力也会同时增加。Zhang 等［4］利用二维层流模型研究了雷诺数Re=200 时，扰动体对下游圆柱涡的形成和脱落的影响。台湾学者许立杰［5］研究了在低雷诺数下，两圆柱间隔大小不同和两圆柱比例不同对流动形态和对主圆柱阻力的影响。南京航空航天大学的张喜东［6］研究了雷诺数Re=1 000时钝体直径比，间隙率，对双钝体系统传热性能和系统阻力的影响规律，结果表明，小直径扰钝体对系统的对流换热更为有利，且系统的对流换热随间隙率的增大而递增。上述研究主要针对圆柱绕流的尾迹结构和流动阻力开展，关于传热的研究仅限于圆柱共线排布及所有圆柱钝体均发热时的对流换热。且实验研究只在可压流体(如空气)方面开展，并没有研究控制圆柱与主圆柱之间夹角与间隙的耦合影响。

在探讨优化结构过程中，由于参数，需要考虑特征值繁多，即使采用CAM/CAE 技术，仍然需要大量的手工操作，耗时耗力。而随着计算机技术及数值计算技术的发展，采用参数优化设计成为了一种必须。ISIGHT 是目前国际上优秀的综合性计算机辅助工程软件之一。ISIGHT 软件将大量需要人工完成的工作由软件实现自动化处理，从而替代工程设计者进行重复性、易出错的数字和设计处理工作，因此ISIGHT被称为“软件机器人”［7］。ISIGHT 强大的集成功能，可以在设计过程中充分利用各学科先进的分析工具，并将其集成起来以实现设计流程的自动化。

因此，本文采用ISIGHT 软件集成GAMBIT，Fluent 及自身所带的数据处理模块，利用有限体积法系统的研究当Re=200 时，双圆柱绕流系统的对流换热和阻力性能。通过数值模拟获得了主圆柱的时均努谢尔数和阻力系数变化规律，揭示了在合理配置圆柱间夹角和间隙率的情况下，即可得到在减小主柱体阻力同时，还能增强换热性能的优化结构体。

1 控制方程及参数说明

对层流粘性不可压缩流体，在直角坐标系下，其运动规律可用N-S 方程来描述。

连续性方程:

动量方程:

能量方程:

当横流流经圆柱，其尾流场的流场现象主要与流体特性、圆柱的直径、流体的流速有关，即主要与无因次参数雷诺数有关系。

式中:ρ 为流体密度;U 为自由来流速度;D 为圆柱直径;μ 为流体动力粘度。

柱体表面与周围流体的对流换热为:

柱体壁面上的局部、时间平均、面平均及时间和面平均努塞尔数可分别表示为:

常将流体作用于圆柱表面的作用力分为与流动方向平行的阻力及与流动方向垂直的扰动升力，以无因次阻力系数Cd 及升力系数Cl 来表示这2个方向的作用力。

式中:FD为阻力;FL为升力。

系统阻力减少率计算方法如下式:

2 计算模型

物理计算模型如图1所示，主圆柱直径为D，取控制圆柱直径d=0.5 D 为研究对象，流域边界高为20D，长度方向划分为:入流场10 D，尾流场20 D，以减小边界带来的误差。为研究间隙与夹角对流场及换热的影响，取控制小圆柱与主圆柱间隙L/D和圆柱间夹角degree 为优化变量，夹角取入流方向与两圆柱中心连线形成的角度，方向为自上游沿顺时针向下游。

图1 物理计算模型Fig.1 Physical calculationmodel

3 计算方法及算例验证

为保证本研究的可行有效，首先探讨单圆柱绕流的特性，本文网格划分均采用非结构化网格划分法，在近场、流动比较复杂、流动变化大的区域布置较为密集的网格，在圆柱表面采用结构化边界层网格进行局部加密。最后整体网格网格数为88651，网格检查equisize skew 为0.12。如图1所示，入口选为速度入口，远场边界壁面采用动网格，移动速度等于入口来流速度，这是为了最大程度减小上下壁面对流动的干扰。压力速度耦合采取PISO 方法，动量、能量方程用二阶迎风格式离散，连续性方程和动量方程收敛残差标准均为10-5，以提高计算精度，从速度入口为初始点计算。取Re=200 计算，监视并输出圆柱表面的Cd和Cl。当流动稳定(尾流震荡已达稳定状态)后，得到圆柱的时均阻力系数Cd，升力系数Cl。采用NU 数来表征对流换热的强弱，依照式(7)求其平均数，得到NU 为12.41。各目标量与权威文献对比结果如表1所示。

表1 本文计算结果与文献对比Tab.1 The results compared with the literature in this paper

其中邱吉尔关联式

茹卡乌斯卡斯关联式:

式中:Prf为参考温度时的Pr;Prw为圆柱表面温度时流体的Pr。

将Fluent 计算结果导入后处理软件Tecplot 中，由涡量计算公式vor=ddx(v)－ ddy(u)，得到圆柱涡量图(见图2)，可发现与苏炯彰［9］的模拟结果相符。由上述可知，本研究的网格质量、求解条件等设置满足计算精度要求。

图2 涡量比较图(苏炯彰)Fig.2 Tthe vorticity comparison chart (SU Jiong-zhang)

4 基于ISIGHT的双圆柱计算分析

4.1 过程集成

过程集成就是实现设计过程的自动化，实现自动由变量参数完成物理模型的建模，然后网格化计算流域，由Fluent 计算输出计算结果，最后经数据处理得到所需的目标变量。整个自动化主要流程如图3所示。

Mesh.jou 模块记录着圆柱系统建模及网格画法命令流文件;Gambit.bat 实现由Gambit 读取mesh.jou 命令文件划分网格并导出网格文件;Solve.jou 模块包括Fluent 一系列前处理，如边界条件、初始条件、材料属性、求解方法等操作的命令流;Fluent.bat 为批处理文件，其作用是读取Slove.jou 进行求解，并在同一目录按流动时间生成包含NU，Cd，dat 等结果文件;Calculator 为数据后处理模块，计算出NU和Cd的时均值;DOE (实验设计)选用全因子法进行全面的探索设计空间，得到设计空间内各个设计变量对优化问题的影响情况，得到一个最优点，这样即可避免出现局部最优解的情况。整个流程由ISIGHT 集成，避免了繁琐且极易出错的重复人工操作。数学描述:约束:1D≤L/D≤3D，0°≤degree≤180°，因每个完整方案计算下来大约需要4 h，为节省计算成本，且并具有代表性，设置L/D 步长为0.5D，degree 增长因子为30°，且变量均为整型，取NU 权重大于Cd，求使主圆柱的时均努谢尔数NU 最大化，阻力系数Cd 最小化的最优解。

图3 过程集成示意图Fig.3 Process integration schemes

4.2 设计结果分析

经计算，最终得到最优设计方案为degree=30°，L/D=2，其换热强度NU=13.2，阻力系数Cd=1.21。相对单圆柱NU 提高了6.37%，同时阻力系数减少了7.63%。图4 为全方案下各变量得出的目标值拟合图，横坐标为圆柱间夹角大小。

从图4 可得:一定范围内，夹角不变时，间隙率越大，主圆柱NU 越大，即系统换热能力越强;间隙率不变时，随着夹角的逐渐增大，主圆柱的换热强度和阻力均表现为先增大，再平缓，最后减小的趋势。当双圆柱夹角为0°或180°时，系统对主圆柱的影响是换热性能较低，但减阻性能得到了很大的提升，究其原因，取L/D=2 时的温度流线图分析，如图5 当小直径扰动体与来流方向共线(夹角为0°)时，经过初步热交换后，由于双圆柱之间存在回流，导致扰动体之后，主圆柱之前这部分区域流体的温度高于来流静温，使主圆柱前半周迎风面与流体温差减小，换热系数降低，从而导致换热不佳，而在其他夹角范围内(30°～120°)，则不存在此类问题，故换热较好，同理可分析夹角为180°时换热不良的原因;减阻方面，由于控制圆柱与主圆柱组成的系统为空穴模式，张［10］等研究表明，空穴模式的减阻性能优良，当处于这种流动模式时，上游圆柱对下游主圆柱起保护作用，即主圆柱处于流动死区，故其阻力系数变得很小。

图4 各组合参数下NU，Cd 拟合图Fig.4 Tthe combination of NU，Cd fitting figure

图5 L/D=2 温度流线图Fig.5 L/D=2，temperature flow diagram

为进一步分析在夹角为30°～150°之间的双圆柱系统与单圆柱相比换热增强的原因，图6 给出了两系统的温度等值线图。可以看出，由于控制圆柱的加入，其后产生震荡涡街，将“新鲜”的流体卷入主圆柱尾流中，由于这种交互作用，直接导致主圆柱温度场的尾迹区变宽，从而提高了主圆柱背风面的换热强度。

图6 温度等值线图Fig.6 Temperature contour map

圆柱绕流阻力可分为压差阻力和摩擦阻力，在Re≤1 时，阻力以摩擦阻力为主，但随着雷诺数的增大，压差阻力占总阻力份额逐渐增大，实际流体绕圆柱等凸壁流动时，在背风面容易发生边界层分离开成旋涡，后部压强不能恢复到与前部相对称的程度，因此圆柱前后产生压强差，这就是压差阻力。在尾流分离区内，压强大致是均匀分布，对于具有热对流交换的圆柱绕流，表现为:发生边界层分离之前，换热强度沿着圆柱表面由最大值逐渐减小，在分离点因边界层最厚使换热性能达到最低值，随后由于旋涡的产生将低温的尾流卷入近壁面，导致换热再增强。并在后驻点达到极大值。图7 为3 种情况下主圆柱表面当地NU 数分布图。从图中可看出，单圆柱绕流时，分离点在120°左右，此结果与理论研究文献及实验结果［5］能够很好的吻合。在受控制圆柱影响后，主圆柱表面分离点发生改变，在夹角为90°时，分离点有所提前;当夹角变为30°，分离点滞后，大概在125°左右。正是由于分离滞后(流线型物体减阻成因)，使圆柱表面压差阻力减小，从而导致阻力系数降低，这也解释了为什么夹角为30°时的圆柱阻力小于90°。

图7 圆柱表面的NU 分布图Fig.7 NU distribution on the surface of the cylinder

5 结 语

1)利用ISIGHT 强大的集成能力及优化设计能力，通过集成Gambit，Fluent 软件并结合自身数据处理模块，针对双圆柱绕流模型进行了参数化设计优化模拟，使整个设计流程自动化，极大地提高了设计效率。

2)对直径比为0.5，利用全因子法得出圆柱间隙和夹角与主圆柱的对流换热性能及阻力的关系，发现在主圆柱周围不同方位布置控制圆柱，对系统的换热性能和阻力影响不同，与单圆柱系统相比，在合适的组合参数(L/D=2，degree=30°)下，双圆柱系统的利用可以使主圆柱减阻7.63%的同时提高换热性能6.73%。

3)本文只对Re=200，d/D=0.5的双圆柱进行探讨，今后研究方向应该结合更多的参数，在不同雷诺数，多尺度比情况下，结合参数化优化设计，讨论最优参数组合。

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