射流湍流特征分析及在机舱流场数值模拟方案中的应用研究

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当前,飞机因其快捷与舒适,越来越成为重要的客运工具,机舱环境问题日益成为关注热点。高效准确地模拟和分析座舱空气气流特征对预测和控制座舱内空气品质及污染物、颗粒物的排放有重要意义。  在机舱气流环境中,空调通风口射流出口流场以及射流在人体或座椅等表面区域的流动特征对机舱的气流组织及人体舒适度有较大影响,其流动现象属于自由射流和冲击射流范畴,对其进行局部较精细数值模拟,提取流动特征并以体积力源项形式参与机舱整体流动控制方程的数值计算,为确立适合于机舱内气流环境模拟的计算策略提供依据是本文工作的目的。  首先采用湍流模型和N-S方程,对较低雷诺数有温差冲击射流以及圆自由射流流动进行数值模拟并与实验数据对比,重点分析较低雷诺数有温差冲击射流换热特性以及圆自由射流流场空间湍流雷诺应力项的分布,然后采用 Rational Taylor模型对雷诺应力项进行拟合,得到流场雷诺应力空间分布特征,将拟合得到的雷诺应力项作为体积力源项参与相同边界和流动条件下的 N-S流动控制方程的数值求解,验证其可行性。  计算与分析结果表明,较低雷诺数有温差冲击射流冲击板的表面努塞尔数分布在射流核心区附近最高,随远离射流核心区逐渐减小,在冲击板表面,由于温差引起的热浮力的存在,其导热系数明显受空气温度和壁面温度的影响,确定合适的导热系数可以得到较好的计算结果。圆自由射流中,雷诺应力在射流核心区附近具有最高值,随远离射流核心区逐渐减小。通过对雷诺应力的三种拟合方法对比发现,采用拟合函数求导获得体积力的方法存在一定误差,且拟合函数系数的变化对计算结果影响显著,体现在射流衰减速度和扩散程度方面。对不同进口雷诺数的计算比较得出,无量纲雷诺应力分布及量级基本相同,且在检验范围内网格数量不会影响计算结果,表明了体积力源项应用于流动控制方程的计算方法的可行性。
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