[发明专利]一种平板冲击射流传热问题的数值模拟方法

说明书

本发明公开了一种平板冲击射流传热问题的数值模拟方法，包括以下步骤：S1：建立计算模型：根据实验资料建立包含了绝热冲击面和封闭板平板冲击射流模型；S2：对模型划分网格及网格无关性验证；S3：设置湍流模型，选取SSTk‑ω模型与间歇性转捩模型、横向流转捩模型和Kato‑Launder模型进行耦合；S4：根据实际情况设置边界条件和初始值；S5：设置ANSYS‑FLUENT软件的求解方式；S6：运行ANSYS‑FLUENT，获得平板冲击射流在不同高度下的传热分布规律，并以无量纲努塞尔数Nu来表示。该方法通过考虑转捩对冲击射流传热的影响，更加符合冲击射流传热的物理现象，从而提高了计算精度。

技术领域

本发明涉及流体技术领域，尤其涉及一种平板冲击射流传热问题的数值模拟方法。

背景技术

冲击射流传热现象在民用和军用领域中普遍存在并被广泛应用。由于其在滞止区拥有极薄的边界层，可极大地提高传热效率，因此被广泛应用于如纸张和纺织物干燥、燃气轮机叶片的冷却、高超速飞行器的快速冷却、电子元器件的冷却和机翼除冰等。在军事领域，无人飞机的发射、武器的发射、垂直起降飞机起飞等都与冲击射流现象存在着紧密的关系。对冲击射流现象进行准确的数值模拟，对于在深入理解问题机理基础上进行优化设计具有十分重要的意义。

冲击射流在滞止区受流线强烈弯曲和极大的逆压梯度影响，因此准确地预测传热率的分布一直是冲击射流数值模拟的一个难点，这也成为了湍流模型在计算逆压梯度和分离流方面的标准算例。传热率的大小一般以无量纲数努塞尔数来表示。早期的冲击射流数值计算发现，传统的模型和标准模型在计算平板冲击射流传热问题时，无法准确预测冲击板面的努塞尔数分布。随着计算机计算能力的发展，v2-f湍流模型、大涡模拟湍流模型(LES)、直接数值模拟(DNS)等方法得到了广泛运用，但是在平板冲击射流方面依然很难得得到准确的努塞尔数分布。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种平板冲击射流传热问题的数值模拟方法，包括以下步骤：

S1：建立计算模型：通过扫描仪、网络或计算机输入所要计算问题的设计图纸建立冲击射流的二维平面模型；

S2：对模型划分网格及网格无关性验证；

S3：设置湍流模型：选取SST k-ω模型与间歇性转捩模型和横向流转捩模型耦合，并选取Kato-Launder模型对湍动能产生项进行修正；

S4：根据实际情况设置边界条件和初始值；

S5：设置ANSYS-FLUENT软件的求解方式；

S6：运行ANSYS-FLUENT，获得平板冲击射流在不同高度下的传热分布规律,并以无量纲努塞尔数Nu来表示。

进一步的，在上述技术方案中，所述S1步骤中，对要计算的计算模型进行简化，由于结构的对称性，建立1/2模型进行计算。

进一步的，在上述技术方案中，所述S2步骤中，采用结构性网格划分计算域，在壁面和对称面处进行网格加密,计算模型的第一层网格距离壁面的无量纲距离y⁺≤2.5。

进一步的，在上述技术方案中，所述S3步骤中，选择的湍流模型采用的RANS连续性方程、动量方程和能量方程，相关表达式如下：

式中：ρ表示密度；μ_t表示涡粘系数；u，u'分别表示速度和脉动速度；C_p表示比热容；K表示导热系数；T和T'分别表示温度和脉动温度；和分别表示雷诺应力张量和湍流热通量矢量。