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电加热圆管内流动的自然转捩过程研究
张若凌, 乐嘉陵     
中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所高超声速冲压发动机技术重点实验室, 四川 绵阳 621000
摘要:分析了在一个电加热圆管内的自然转捩流动和对流传热。对于圆管内的流动,提出在径向脉动速度不随流动模式变化的假设下,自然转捩流动是充分发展的层流与湍流流动按照比例的合成。采用合成比例来描述该合成流动,合成比例在转捩区间会发生振荡。根据最小熵产生准则得到自然转捩发展演化的方程,其中转捩发展演化的控制因素,是合成比例的振荡。给出了一个与测量结果一致的合成比例的振荡函数,包括圆管内转捩过程的传热实验测量和速度及其脉动统计特性的实验测量。指出圆管内层流向湍流的转捩过程,可以与热力学平衡系统的连续相变过程进行比较,并且在电加热圆管内的流体,其速度和温度可以有相似和独立的转捩演化过程。
关键词转捩流动     振荡     流动合成     最小熵产生    
Natural laminar-to-turbulent transition inside an electrically heated circular tube
Zhang Ruoling, Le Jialing     
Science and Technology on Scramjet Laboratory, Hypervelocity Aerodynamics Institute of China Aerodynamics Research and Development Center, Mianyang Sichuan 621000, China
Abstract: The natural laminar-to-turbulent transitional flow and convective heat transfer inside an electrically heated circular tube are analyzed. It is proposed that the transitional flow can be decomposed into the fully developed laminar flow and the turbulent flow, under the assumption that the fluctuating velocity in the radial direction does not change with varying flow modes. The composite ratios are adopted to define the composite flow, and they fluctuate during the flow transition. The minimum entropy production criterion is used to derive an equation which can describe the evolution of the transitional flow. It is deduced that the transitional behavior is governed by the fluctuations of the composite ratios. One fluctuation function is given to attain agreements with measurements including those obtained in heat transfer and flow experiments. It is pointed out that the process of the laminar-to-turbulent transition inside the tube can be compared with continuous phase transitions in a thermodynamic equilibrium system, and similar and separate processes for the transitions of the velocity and temperature inside the tube can be allowed.
Key words: transitional flow     fluctuations     composition of flows     minimum entropy production    
0 引言

不可压缩和可压缩流体的层流向湍流的转捩过程,对许多应用来说十分重要。对于圆管内的低速轴对称流动,详细的测量研究被不断重复了100多年,文献[1]对其中一些进行了综述。

为进行超燃冲压发动机的冷却设计,多年来碳氢化合物在电加热圆管内的流动和传热引起了一些兴趣[2-3]。如图 1所示,当电流在管壁内流过时,电流和管子电阻相互作用会产生热量。处于超临界压力下的一定流量的正十烷 (n-Decane) 在管内流动时,会与内壁面发生近似恒定热流的对流传热,能够模拟碳氢燃料在一根燃烧室冷却通道内的流动和吸热。正十烷吸收热量后温度升高,导致密度ρ和粘性系数μ降低。在合适的流量、管径di和电流条件时,处于超临界压力下的正十烷在电加热圆管中建立定常流动,并且由图 2看出,流动的雷诺数Re(即ρUdi/μ,此处ρ, Uμ为截面平均值) 可以自入口的886增加至出口的15000。

图 1 电加热管内部流动示意图 Fig.1 Flow inside an electrically heated tube
图 2 管内密度、粘性系数、热传导系数和Re的变化 Fig.2 Density, viscosity, thermal conductivity and Re inside the tube

通过调节管子的电流来控制管壁的热流,可以使流体的温度自室温升高至800K左右的高温。流体的一些热物理性质,例如密度ρ、粘性系数μ和热传导系数k,在出口处其数值较入口处会下降较多。在图 2中,不同温度和压强下正十烷的ρμk采用一个高温碳氢化合物的物性程序计算得到。

众所周知,圆管内流体的流动在雷诺数Re约为2300时会发生转捩[4],因此在管内可以发生完整的自然转捩过程。管内的层流是线性稳定的,即使Re很高时也需要有限振幅的扰动才能引发转捩。转捩的起始Re和结束Re与实际的流动条件相关,取决于管内流动的扰动,并且强迫转捩的起始Re和结束Re与自然转捩大不相同。

1883年雷诺在转捩流动实验中发现湍流的闪斑 (Flash)。随后在圆管内的流动转捩研究中,长期以来人们观测到2种扰动流动 (Disordered flow),分别被称为Puff和Slug[1, 5]。在这2种扰动流动内部,既不是层流也不是完全湍流,用间歇性或者间歇因子来描述转捩流动是不够的。在很宽的雷诺数范围内,这些特殊状态的扰动流动和典型湍流之间的关系,至今不明。自1883年雷诺初始的实验至今没有确立公认的理论来解释层流向湍流的转捩过程[1, 5],圆管内流动转捩的本质仍然是流体力学中的未解之谜。对于转捩过程中的对流传热特性也没有理论解释。

层流向湍流的转捩,很早就被看作是非平衡热力学系统的一种相变[6]。序参数 (Order parameter) 常用来描述相变 (如正常导体变为超导体),接近相变点时序参数发生振荡。层流向湍流的转捩过程中发现了很大的振荡 (或脉动、涨落,Fluctuations)[5, 7],但是采用非平衡相变观点来进行的讨论不多。

在圆管内的转捩流动中,速度的随机振荡具有一定的统计特性[5]。这种振荡的统计特性随着Re数增加的演变过程十分重要,即使已知转捩流动的起始Re和结束Re。本文尝试解释在电加热圆管内流动转捩的起始和终止之间振荡统计特性的发展演化,并解释这种振荡统计特性对流动和对流传热的影响。采用的方法包括3个步骤。在第一步中,先给出求解管内层流和湍流的方程,然后假定在转捩流动中沿半径方向脉动速度的数值与湍流流动一样,把转捩流动分解成层流和湍流成分,即转捩流动是相同雷诺数下成层流和湍流2种流动的合成,合成比例用来定义这种合成流动。在第二步中,对于转捩流动引入合成比例的振荡,采用最小熵产生准则给出一个方程,来描述合成比例振荡的统计特性和转捩的发展演化。在最后一步中,在给出一些层流向湍流的转捩和相变的相似性后,给出一个合成比例的振荡函数,并与传热和流动测量实验结果进行对比。

1 求解速度和温度的定常层流方程

图 2可以看出,在出口处密度ρ和热传导系数k下降至大约为入口数值的50%。在出口处粘性系数μ下降至大约为入口数值的6%。因为质量流量和管子内径di不变,造成在出口Re增加至约17倍的入口数值。

在如图 2所示的条件下,Re自入口的886连续增加至出口的15000。自然转捩起始于位置x≈0.26m,约等于180倍管子内径di(1.42mm),在该处Re≈2300。对于对流传热 (温度) 来说,自然转捩终止于位置x≈1.05m,在该处Re≈10000[8-9],转捩长度约等于740di。文献[5]的测量结果说明,流动 (速度) 的转捩区间 (终止雷诺数与起始雷诺数之差) 要小得多。对于本文感兴趣的情形,流动的转捩长度大约100di。在管子入口x=0之前,有比500di还长的一段管子,与图 1所示的加热部分属于同一根管子。在下文中,从转捩开始直至出口的流动,均认为在流动和传热上得到了充分发展。

对于该圆管内充分发展的轴对称流动,每个截面上的参数可以由平均速度、平均温度和边界条件 (如管壁处的热流和零速度) 来确定。本文研究的电加热圆管长度约为1000di,且管壁热流数值不是很高。当研究一个截面上的流向速度u和流体温度T分布时,可以不考虑一些物理量沿着轴向坐标x方向的变化。理由是:与uT沿着半径r方向的变化相比,这些物理量沿着x方向的变化很小。下文中,在每一个截面位置进行求解时,u和流体物性如μk等均假定不随x方向变化,仅考虑T和压强px的变化。在每一截面,uρ是沿半径方向位置r的函数。整个管内的流动通过求解每一个截面位置的流动参数而确定。

实际上,在管子的入口和出口流体物性μk的差别很大。尽管如此,μk沿着x方向的变化对于uT的解影响不大,因此在下文中没有用到μkx的导数。这与管子的长径比很大并且管壁热流不很高是一致的。在求解每一个截面位置的流动参数时,采用的是与当地Tp对应的当地μk

对于管内的轴对称层流,采用图 1所示轴向坐标为x和径向坐标为r的坐标系,速度u满足[4, 10]:

    (1)

有传热时的热充分发展的管内定常层流流动,传热引起的温升远大于粘性摩擦引起的温升。按照文献[4]的做法,忽略粘性摩擦和轴向传热引起的温度变化,有:

    (2)

对于恒定壁温的情形,可以使用变量分离法把温度表示成两部分的乘积,一部分随x变化,一部分随r变化。对于近似适用于本加热管道的恒定热流的情形,可以令:

    (3)

x变化的部分代表管壁加热引起的沿x方向的平均温升,随r变化的部分代表管壁加热引起的径向温度分布 (剖面)。(2) 式变为:

    (4)

这里忽略了径向速度,根据质量平衡方程,乘积ρu不随x变化,因此 (4) 式可以分为2个可以积分求解的方程。在壁面有传热发生时,传热会引起μkcp变化,因此求解速度和温度分布的方程 (1) 和 (2) 是耦合的。这种耦合是通过温度和压力影响物性 (μkcp) 而发生的,属于较弱的耦合。

流体由大量分子组成,分子间不停发生碰撞。这些碰撞不会使动量或者能量产生或者消失,因此采用守恒变量时动量和能量平衡方程没有源项。但是在处于非平衡态的流体内部,与分子频繁碰撞相伴而生的是耗散过程,流体通过耗散过程来改变非平衡分布从而向平衡态靠近。因此对于处于非平衡的流体流动系统,熵的平衡方程有源项,表征着耗散过程中熵的产生。由于温度和速度梯度引起的熵产生为[6, 10-11]:

    (5)

式中:σ是熵产生,下标Lam表示层流,v是速度矢量,的对称零阵迹部分 (对角线各项之和为0), :表示二次缩并。在柱坐标系中为:

    (6)

式中:是二阶单位张量,上标T表示转置,Tr表示张量的迹 (对角线各项之和),vr是沿半径方向的速度,vx是沿x方向的速度。对于所研究的情形,有vx=uvr=0。

实际上,(2) 式忽略了粘性摩擦和轴向传热引起的温度变化,因此 (5) 式中第二项可以忽略,第一项中可以忽略沿轴向的微分,以此来与 (2) 式一致。尽管如此,下面在讨论熵产生时仍然保留这些项。将会看到这种保留不影响结论。

(5) 式第一项在柱坐标系中的表达式为:

    (7)

(5) 式第二项的表达式为:

    (8)

在 (7) 和 (8) 式中,下标TXΘV分别表示由对应物理量的梯度引起的熵产生,V表示速度。可以看出,熵产生包含温度和速度梯度的平方项。

流体的流动方程也称为NS方程。在所考虑的方程中,广义流 (如应力张量) 与广义力 (如张量) 的关系是线性的[6]。层流中的流体微元处于非平衡状态,其中的耗散输运过程引起熵增。对于非平衡系统,在广义流与广义力关系是线性的区域内,Prigogine最早指出最小熵产生对应的状态是一个定态[6]。最小熵产生准则与适用于平衡系统的最小自由能准则相对应。最小自由能准则常用于处理平衡系统的相变特性,著名的Ginzburg-Landau相变理论就是利用这个准则来处理连续相变的一个平均场理论,认为自由能是序参数的解析函数[6, 12-13]

2 求解速度和温度的定常湍流方程

对于充分发展的定常轴对称湍流,同样可以忽略速度和密度沿x的变化,每个截面上ρur的函数。在每一截面上,x方向动量方程为[4]:

    (9)

式中:符号上方有“-”表示物理量的时间平均值,符号上方有“~”表示物理量的瞬时脉动值 (瞬时值减去平均值)。由于径向平均速度为0,r方向的瞬时速度分量。

对于热充分发展的管内定常湍流流动,有:

    (10)

(9) 和 (10) 式等号右边第一项与层流流动的耗散项一致。对于充分发展湍流,求解速度和温度的方程可以改写为:

    (11)
    (12)

由于乘积ρu是不随x变化的,对于管内定常充分发展的湍流,求解速度和温度分布的方程之间具有由温度和压力影响物性带来的弱耦合关系。

由于uρ均为r的函数,在恒定热流情形下对 (12) 式可以采取类似 (3) 式的方式处理,只有随r变化的部分具有湍流脉动量,即:

    (13)
    (14)

下标Turb表示湍流。这里的处理方法与 (3) 和 (4) 式类同,对于层流和湍流情形,如果流量和热流相同则X和dX/dx相同。如果流量和热流反向变为相反值,对于层流情形根据 (1)、(2) 和 (4) 式,uXΘ的梯度就变为相反值。对于湍流应该有相同结论,

这要求流量和热流的反向不影响的数值。因此,对于湍流情形根据 (11)、(12) 和 (13) 式,流量和热流的反向导致的梯度变为相反值。根据 (9)、(10) 和 (14) 式,也变成相反值。

由于层流和湍流均遵从NS方程,因此对于充分发展湍流,分别以瞬时温度和速度代替 (5) 式中的层流温度和速度,可以得到由于温度和速度梯度引起的熵产生的平均值为:

    (15)

式中:下标Turb表示湍流,下标TV的意义与 (7) 和 (8) 式中的相同。忽略分子和分母统计相关性的影响时,(15) 式第一项在柱坐标系中的表达式为:

    (16)

其中:

    (17)
    (18)

(15) 式第二项在柱坐标系中表达式为:

    (19)

其中:

    (20)
    (21)

在 (16)~(18) 式中,下标XΘ的意义与 (7) 和 (8) 式中的相同。在 (19)~(21) 式中,下标uv表示对应速度分量引起的熵产生。

3 在定常转捩区间求解速度和温度的方程

比较层流和湍流的求解速度和温度的方程 (1)、(2)、(9) 和 (10) 式,如果认为对于层流流动,流向速度和温度的脉动量为0,则2种流动遵从形式上完全相同的方程。

在定常自然转捩区间的速度和温度方程,形式上与 (9) 和 (10) 式相同。如果在转捩区间径向脉动速度的数值与完全湍流的一样,则每一点的自然转捩流动可以认为是充分发展的层流和湍流2种流动模式的合成。此时在每一点uΘ的变化,一部分由层流贡献,一部分由湍流贡献,贡献比例分别为1-ηη, η是流体微元的运动属于湍流模式的比例。对于u的变化,有:

    (22)

其中,下标Tran表示转捩。对于x方向的动量有:

    (23a)
    (23b)

(23b) 式是层流与湍流的动量方程的结果。(23) 式中,变量上方无“-”的表示层流量,变量上方有“-”的表示湍流量。

在一个截面位置且在一个时刻仅允许一个压力梯度,因此在一个截面位置η数值相同,uΘ以及它们对r的导数包含层流和湍流2种成分。湍流具有r方向的脉动速度。(23) 式的成立,要求在转捩区间具有和全湍流一样的数值。因此在转捩区间速度矢量增量是dv=(dvr, dvθ, dvx)=(, 0, (du)Tran)。把和该速度矢量增量代入完整的动量方程 (9) 式可以导出 (23a) 式 (将利用 (26) 式进行进一步说明)。对于传热 (温度) 来说转捩长度约为几百倍的di,对于流动 (速度) 来说转捩长度大约为一百倍的di。在 (23) 式中,在每一截面位置处求解时忽略η沿着x方向的变化。

对于在转捩区间流体的温度,可以写出类似 (22) 和 (23) 式的方程。与纯粹的层流或湍流情形一样,由于乘积ρuρu不随x变化,在转捩区间温度和速度方程之间也具有由温度和压力影响物性带来的弱耦合关系。层流、转捩或湍流分别具有确定的uΘ或者uΘ以及等变量的剖面类型,它们影响μkcp等物性的分布剖面。由于是雷诺数Re影响着变量的剖面类型,物性参数本身不改变变量的剖面类型或者流动/传热模式。温度和速度的弱耦合方程具有这种性质,即速度 (和其脉动) 的剖面类型不影响温度 (和其脉动) 的剖面类型,反过来也一样。由于温度和速度方程之间的这种弱耦合关系,并且根据 (5) 和 (15) 式,在熵产生表达式中温度梯度项和速度梯度项是独立的,因此对于温度可以采取另外一个不同的η。为了简明起见,下面对于温度仍然采用相同的ηΘ的变化为:

    (24)

恒定热流情形下的温度方程为:

    (25a)
    (25b)

(25b) 式是层流与湍流的壁面热流相同的结果。与 (23a) 式一样,在 (25a) 式中对每一截面位置处求解时忽略η沿着x方向的变化。

在转捩区间动量方程形式上与 (9) 式相同,由于在一个截面位置η数值相同,通过 (22) 式沿着r方向积分,可以得到流向合成速度。其中,流向的合成平均速度,流向的合成脉动速度。把它们代入 (9) 式,在径向脉动速度具有和全湍流一样数值的假设下,得到:

    (26a)
    (26b)

其中,层流的流向脉动速度为0,这里对η不考虑振荡 (下节将考虑η的振荡)。由于在一个截面位置η数值相同且无振荡,很容易得出 (26) 和 (23a) 式是等价的。由 (26) 式可以看出,在转捩区间流动是层流和湍流的合成运动,因为是流向的合成平均速度,是流向的合成脉动速度,是径向的合成脉动速度。用Θ替代uΘ替代u,温度方程 (25a) 式也可以改写成类似 (26) 式的形式。这种合成运动对于恒定壁温的情形也成立。

在转捩区间具有和全湍流一样数值的假设,可以进行进一步解释。众所周知,即使Re很高时也需要有限振幅的扰动才能引发转捩,因为圆管内的层流是线性稳定的。在所关心的圆管内能够发生完整的转捩过程,其原因是Re的增加和管内有限振幅的扰动。对于管内确定的流动,这个假设相当于说,无论流动状态是层流、转捩还是湍流,的数值均相同,而且这个的数值是由存在于层流之中的扰动带来的。在管内转捩过程中的数值相同不违反质量平衡方程,因为对应于一个有限振幅的扰动,在另外2个方向还有2个脉动速度分量。有限振幅的扰动决定层流区内三维脉动速度的数值,脉动速度的大小在流动模式的转捩过程中保持不变。在上述推导中忽略了这个三维脉动速度对层流流动的影响,但是转捩是否起始和结束取决于该扰动。在强迫转捩中往往利用不同振幅的扰动,造成很不相同的转捩的起始和终止Re数值。

尽管物性参数本身不改变变量的剖面类型或者流动/传热模式,对于管内有加热的流动,在一个站位上不同的流动模式有不同的温度分布剖面,导致cpμk等物性参数的分布剖面不同。不难理解,不同的cpμk分布剖面也会导致不同的速度和温度分布剖面。因此,在转捩区间的流动是层流和湍流2种流动模式的合成,层流部分u和Θ的数值与纯粹层流对应的数值不同。如果忽略这种由不同流动模式引起的物性参数差异 (即不同流动模式下物性参数的分布剖面相同),那么在转捩区间,层流部分u和Θ的数值与纯粹层流对应的数值相同。这种分析对于转捩区间湍流部分uΘ的数值也一样成立。

显然 (23)、(25) 和 (26) 式对于任意的η均成立,因此在转捩区间具有和全湍流一样数值的假设,使得这种流动合成在力学上是可能的。由 (26) 式,利用某种假设可以推出,即使在层流区存在非0的流向脉动速度,这种流动合成也是可以成立的。这里讨论的是流体2种运动的合成,即使对η < 0或η>1,这种合成也是允许的。η或者1-η是负的意味着反方向的流量、压力梯度和热流的贡献,对应着相反数值的x方向速度梯度和温度 (XΘ) 梯度以及相反数值的

在本节里,假定在转捩流动中径向脉动速度与湍流流动一样,将转捩流动分解成层流和湍流成分。η=0时流动是全层流的,η=1时流动是全湍流的。这里多了一个变量,通过 (23) 和 (25) 式无法直接确定自然转捩过程。

4 圆管内自然转捩流动中的振荡

要确定自然转捩如何发展演化,必须给出η的动力学方程。记转捩起始雷诺数为ReL,记转捩终止雷诺数为ReR。对流传热实验发现,对于充分发展的圆管流动,转捩在ReL≈2300时开始,在ReR≈10000时结束[8-9]。关于流速振荡的测量结果说明,流动的转捩区间要小得多[5]。转捩开始和终止的精确位置,与实际的流动条件相关。这里仅对圆管内的转捩流动在起始和终止雷诺数之间的发展演化以及这种发展演化对流动和对流传热特性的影响感兴趣。

在写出转捩区的熵产生表达式前,引入η的振荡。认为在自然转捩区间η由2部分组成:统计平均值和振荡值,即:

    (27)

代入 (22) 和 (24) 式得到:

    (28)
    (29)

式中: ,是取值0和1之间的单调递增函数。引入η可以描述转捩过程中某一时刻流动瞬时状态对应的合成比例。文献[1]和[5]报道了在转捩过程中,瞬时流态包含典型的与常规湍流不同的扰动运动 (Disordered motions),其他文献亦有报道。常常采用的间歇因子γ不能给出某一时刻流动的瞬时状态,也不能区分这种扰动运动接近湍流的程度。因此引入η可以更好地描述转捩流动。(28) 和 (29) 式说明,在转捩区间u和Θ变化的脉动量由两部分组成:湍流脉动量和与η的振荡对应的量。之间具有统计相关性。这里认为湍流脉动量和η的振荡之间是统计无关的,即存在如下关系:

    (30)

式中:nm均为正整数,表示。(30) 式的成立,其原因在于脉动或者振荡的不同产生机制。湍流脉动量统计相关性的机制在于湍流这种流动模式,而的统计特性源于转捩区间内流动模式的振荡机制。

在一个截面位置且在一个时刻仅允许一个压力梯度,因此在一个截面位置和一个时刻η各有相同的数值。可以证明η的引入不影响 (26b) 式的成立。通过积分 (28) 式可以得到在径向任意一点处的流向合成速度,其中流向的合成平均速度,流向的合成脉动速度。径向的合成脉动速度永远是。把它们和η代入 (9) 式,并利用 (30) 式,可以得到与 (26b) 相同的方程,只是η代替了η。因此,η的引入不影响流动合成的成立。

在转捩区间流动遵从全NS方程,因此其熵产生的方程与 (15) 式相同。(28) 和 (29) 式代入 (15) 式,应用 (30) 式整理后可得:

    (31)

式中:σLam, Θ与 (7) 式中相同,σLam, V为 (8) 式,为 (17) 式,为 (18) 式,为 (20) 式,为 (21) 式,只是分母中的TT2要用代替。在分析熵产生时,忽略了分子和分母统计相关性的影响。仅是Re的函数,与r无关。

(31) 式右边除外的其他项,令人联想到两元混合物的自由能公式。对于两元混合物,在利用最小自由能准则分析相变特性时的处理方法,在文献[6]和[12]中有详细的论述。仿照Brian Cowan在文献[12]中对处于平衡态的二元混合物的混合自由能定义,去掉 (31) 式中前四项,对于管内非平衡转捩流动系统 (一个横截面上的流体整体) 定义流体微元的合成熵产生为

    (32)

式中:下标c表示合成。根据Prigogine最早提出的最小熵产生准则,η的取值应使取极小值。这要求 (32) 式对η求导为0。当Re=ReL时,η=0和;当Re=ReR时,η=1和。因此,(32) 式右边的η项,即右边第一个方括号内几项之和,在Re=ReLRe=ReR时为0。(32) 式右边其它项,即大括号内各项之和随r变化而变化,但是对于每一截面位置均相同,η的取值与r无关。令 (32) 式右边的η项对η的导数为0,即

    (33)

该式的成立使得 (32) 式右边η项在ReLReReR时恒为0,此时η的导数为0。

这种η的取值,对应于在转捩区间维持流体微元运动需要的最小熵产生。ηr无关,仅是Re的函数,因此 (33) 式决定了圆管内层流向湍流自然转捩的发展演化。

对于恒定壁温的情形,也可以推导出 (33) 式。在温度方程中忽略的摩擦项和轴向传热项,无论在熵产生方程中是否保留,均不影响 (33) 式的成立。

5 一个振荡函数和与实验现象的对比

层流向湍流的过渡和平衡系统的连续相变 (Landau所谓的第二类相变[13]),二者宏观特性非常相似。它们均具有一个振荡剧烈的临界区间。在此区间前后,系统的行为显著不同。在此区间内系统的微观特性对其行为的影响不大,不同系统的表现大致相似。在层流向湍流的过渡这个过程中,系统的行为特性发生了显著转变,正如文献[6]中所述,这种流动转捩属于一种非平衡系统的相变。相变可以采用序参数来描述。通常认为,很多关于平衡相变的认识可以推广到非平衡情形[14]。如果用序参数来描述圆管内层流向湍流转捩这一非平衡流动系统的相变,则这里自然转捩过程的序参数应当是η或其线性函数。

对于热力学平衡系统中发生的连续相变过程,文献[13]讨论了序参数的振荡。靠近相变点时存在一个很窄的温度区间,其间热力学函数的物理本质主要来源于序参数振荡的反常增加。这个区间被称为振荡区间,序参数的振荡占据统治地位。

由于不考虑序参数的振荡,Ginzburg-Landau相变理论不适用于振荡区间[12-13]。在此区间,热力学势不能仅仅展开成序参数 (和其空间导数) 和其他热力学变量的函数。在 (31) 式中引入了η的振荡。推导 (33) 式的过程,在对待序参数的处理方式上与Ginzburg-Landau理论的精神一致,也就是说,在通过对热力学势求极值来确定序参数时把它看成是与热力学变量地位相同的独立变量[13]

(33) 式是采用最小熵产生准则得到的结果,其中不包含任何细致的层流或时间平均湍流的剖面信息。这与相变的临界现象一致。靠近临界点时,系统的微观性质不影响系统的热力学行为,完全不同的系统可以有许多相似的性质[12]。(33) 式表明,在层流向湍流的转捩过程中,转捩的发展演化,与层流剖面和时间平均的湍流剖面均无直接关系。

对于所考察的管内流动,η仅随雷诺数变化。η=0或η=1时均为0。这里假定 (33) 式中的能够展开成η随雷诺数导数的级数形式。如果认为η的振荡函数为:

    (34)

此时,中仅包含最低阶导数的平方项,且系数为正。(34) 式代入 (33) 式得到:

    (35)

转捩开始于ReL并且结束于ReR,因此对η的约束条件为:

    (36)

由于ηRe的单调递增函数,在完全层流区和完全湍流区η的振荡为0,因此对η导数的约束为:

    (37)

满足这些条件的解为:

    (38)

并且, C= (ReR-ReL)/π。(38) 式代入 (34) 式得到

这与文献[15]由传热实验得到的结果一致。文献[15]指出,圆管内定常自然转捩区间的Nu数,形式上为相同雷诺数下层流传热Nu数和湍流传热Nu数的权重叠加,权重因子与 (38) 式一样。图 3取自文献[15]中图 12(c)的数据,其中转捩区间的Nu关系式采用了这种权重叠加规律 (NuTran= 1-ηNuLam +ηNuTurb),并由此计算了圆管外壁温度分布。显然,相同的权重叠加规律适用于转捩区间的摩擦因子。

图 3 电加热管实验中的外壁温和Nu数对比 Fig.3 Outer wall temperature and Nu comparisons in an electrically heated tube test

作为θ的函数在图 4中显示。可以看出,在转捩区间η的振荡是非常大的。的方均根值在θ < 0侧超过了η,在θ>0侧超过了1-η,造成在某些时刻的流体微元,η至少在θ < 0一侧、1-η至少在θ>0一侧为负值。由于讨论的是流体流动的合成,不是2种物质的混合,因此负值是允许的。

图 4 η、1-η作为θ的函数 Fig.4 η、1-η and as functions of θ

这里给出的转捩区间内大的振荡,能够解释文献[7]中提到的“奇怪效应”(Strange effect)。在管道流动实验中,流速达到某个数值时,雷诺数也达到一个临界数值,压力计的读数开始剧烈震荡。这种现象在一个速度范围内一直持续,直到流速达到某个数值压力计的读数重新回到平稳状态,随后一直保持平稳。

由于在一个截面上不同点的相同,在中心线上的轴向速度为同一Re下层流和湍流对应值的权重叠加。可以通过沿一条半径积分 (28) 式来得到uTran,即:

    (39a)
    (39b)

在流动实验中可以沿着中心线对它们进行测量,并与上式的预测值进行对比。

文献[5]、[16]和[17]均利用常温水为介质,在圆管中进行了大量强迫转捩和少量自然转捩实验。根据,改变水的流量可以进行不同雷诺数的实验,从而测量在转捩起始和终止Re之间轴向速度及其脉动量的统计特性的变化。不难理解,可以用本文的推导来分析这种无传热发生时的强迫或自然转捩过程。

在同一Re下,与湍流脉动值相比,层流和湍流平均的速度对应值之差u-u在数值上是很大的。由 (39b) 式可以看出,在层流向湍流转捩的过程中,在中心线上轴向速度脉动的方均根数值应该有过冲 (Overshoot) 现象。Durst和Ünsal清楚地测量了这种现象[5]。为了与测量值进行对比,可以计算出中心线上轴向速度的脉动强度 (I=u′/uTran)。不考虑完全湍流时Re的变化,采用文献[5]图 3中的数据,即对于湍流ur=0=1.4Umeanur=0=0.035ur=0,对于层流ur=0=2.0Umean(在层流区轴线速度脉动强度约为0.002)。如图 5所示,(39) 式给出在θ/π=0.07时中心线上的轴向速度脉动强度达到峰值20.7%,而在ReL大于4000时文献[5]的测量值约为20%。根据 (39b) 式,在图 5u′的数值由下式计算得到:

图 5 中心线上轴向速度脉动强度的大的过冲 Fig.5 The large overshoot of I at the center line in transition region
    (40)

图 6图 5的不同形式。在图 6中,y轴变为对数坐标且x轴进行了平移和收缩处理,使得容易与文献[5]的测量结果进行对比。图 6中曲线的形状和数值,均与文献[5]中图 35和10在ReL大于4000时的测量结果相接近 (实验数据难以取出与计算值进行比较)。轴向速度脉动过冲的测量,在文献[16]和[17]中也有详细报道。文献[5]还报道,这种轴向速度脉动的过冲现象,没有导致摩阻系数 (应是时间平均值) 的过冲。本文推导也能够解释这种现象。

图 6 中心线上轴向速度脉动强度的大的过冲,可以与文献[5]中的测量结果进行对比 Fig.6 The large overshoot of I at the center line in transition region (both the shape and values can be compared with the measurements in reference [5])

文献[17]在第50页给出了在强迫转捩过程中圆管中心线上轴向速度及其脉动量统计平均的测量值,图 78是本文预测值与它们的比较。计算中未考虑完全湍流时ur=0/ur=0Re的变化。从图 7可以看出,对于在转捩过程中圆管中心线上轴向速度的统计平均值,(39a) 式能够得到与实验测量一致的预测结果。从图 8可以看出,对于在转捩过程中圆管中心线上轴向脉动速度的统计平均值,(40) 式在ReL≈2120时仅能够给出与实验测量的趋势大致一致的预测结果。本文预测的脉动速度统计平均值的峰值较高,并且在转捩快要开始前或刚刚结束后的位置,本文的计算与测量的数值甚至趋势不同。从文献[5]的图10可以看出,中心线上轴向速度脉动强度的统计平均值 (见图 6) 在ReL小于3000时,其过冲幅度的测量值小于在ReL大于4000时的数值,其原因有待于进一步研究。在ReL大于4000时,文献[5]、[16]和[17]给出的所有测量结果 (包括中心线上轴向速度及其脉动量统计平均值),均不适于取出数据与计算进行比较。在转捩开始前或结束后的较远位置,图 8中的计算与文献[5]、[16]和[17]测量的数值和趋势一致。

图 7 中心线上轴向速度统计平均值的计算与测量对比 Fig.7 The calculated and measured mean values of longitudinal velocity at the center line
图 8 圆管中心线上轴向脉动速度统计平均值的计算与测量对比 Fig.8 The calculated and measured mean values of the fluctuations of longitudinal velocity at the center line

(33) 式的成立使得 (32) 式为0,此时 (31) 式为:

    (41)

对比 (31) 与 (41) 式 (二者的差别是 (32) 式) 可以看出,自然转捩的演化以这种方式进行,单纯合成引起的负的熵产生与η的振荡引起的正的熵产生,二者相互抵消。这使得在自然转捩过程中η能够连续变化,并且熵产生在形式上为相同雷诺数下层流和湍流熵产生的权重叠加。

在转捩区间合成流动由η描述。(34) 式确定的是在转捩区间η的振荡,由 (34) 式得到的 (38) 式确定的是具体的转捩行为。不同的 (34) 式可以得到不同的 (38) 式。从上述与实验现象的对比可以看出,转捩过程中流体的振荡统计特性和流动及传热行为,可以用运动合成、合成比例的振荡和最小熵产生准则进行解释,并且η的振荡控制着层流向湍流过渡的自然转捩行为。

最后,如果对于温度采用不同的η,可以得到相应的熵产生方程,其形式与 (31) 式相似。由于温度和速度方程之间仅仅具有弱耦合关系,并且在熵产生表达式中温度梯度的平方项和速度梯度的平方项是独立的,因此这种处理对上述讨论不会带来大的改变。对于速度和温度来说,不同的η允许相似和独立的转捩过程。

6 结论

流体在电加热圆管内自然转捩过程中的振荡统计特性和流动及传热行为,可以用层流和湍流2种流动模式的运动合成、合成比例的振荡和最小熵产生准则进行解释。

(1) 在自然转捩区间流动是充分发展的层流与湍流2种模式的流动按比例的合成。合成流动由2种流动模式的合成比例描述。

(2) 在层流向湍流过渡的转捩过程中,合成比例会发生振荡,并控制层流向湍流过渡的自然转捩行为。

(3) 在电加热圆管内的流体,其速度和温度可以有相似和独立的转捩过程。

(4) 圆管内层流向湍流的转捩过程,可以与热力学平衡系统中发生的连续相变过程进行比较。描述后者的序参数和振荡区间等概念,可以在流动转捩研究中采用。

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http://dx.doi.org/10.11729/syltlx20150024
中国空气动力学会主办。
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文章信息

张若凌, 乐嘉陵
Zhang Ruoling, Le Jialing
电加热圆管内流动的自然转捩过程研究
Natural laminar-to-turbulent transition inside an electrically heated circular tube
实验流体力学, 2017, 31(2): 51-60.
Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2017, 31(2): 51-60.
http://dx.doi.org/10.11729/syltlx20150024

文章历史

收稿日期: 2016-01-29
修订日期: 2016-10-13

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