为研究过渡流下(Re=700)内插圆柱对后向台阶流动及传热特性的影响,并尝试找出强化台阶底面换热的最佳圆柱位置,建立二维数值计算模型。采用Fluent设定控制方程和边界条件进行数值模拟,并搭建后向台阶闭式循环水槽试验台,在相同工况下通过PIV进行可视化流动实验,验证数值计算的可靠性。结果表明Re=700时,圆柱的位置会影响回流区进而影响台阶底面的传热能力;当内插圆柱的横向位置Xc/S=0.6、纵向位置为Yc/S=1.0时,底面传热效果最好,与无内插圆柱工况相比,传热效果提高约112%,而压降只增加45%。

后向台阶绕流是包含丰富流动现象的典型分离再附流动,在工程中应用广泛。这里针对过渡流下后向台阶绕流低频脉动特性对传热的影响展开研究,重点分析了主回流区再附着点下游传热得到强化的原因。结果表明过渡流下的低频脉动特性诱导流动在壁面附近形成旋涡,这些旋涡的运动破坏了速度边界层的均匀发展,同时加强了冷热流体的混合,从而强化了底面传热,再附着点下游局部区域的传热比层流时提升了3倍以上。随着雷诺数的继续增大,近壁旋涡的形态发生变化,促使流体冲击壁面的角度增大,低速回流范围减小,从而进一步强化了底面传热。

为研究低雷诺数下后向台阶的流动与传热特性，建立三维稳态后向台阶的数值模型。采用Fluent设定控制方程和边界条件，模拟出三维后向台阶的流场和温度场。结果表明：当雷诺数Re一定时，台阶底面中心处的Nu由初始值快速到达峰值，再从峰值迅速减小，随着距离台阶越远，Nu值不断减小并趋于平缓；由于受到侧壁的影响，二维底面和三维底面中心处的努赛尔数峰值的差值会随着雷诺数的增加而增大。同时，三维模拟底面中心上的再附着长度会随着雷诺数的增加大于二维模拟的结果；三维台阶底面的再附着点的连线呈抛物线状，顶面的会出现对称的漩涡，侧壁的流动很不规则，三维台阶中心面处的流动具有二维特性；三维台阶底面的努赛尔数的最大值不是出现在中心线处，而是分布在两个侧壁的附近。