流向電磁力作用下回旋體局部受熱對(duì)流換熱數(shù)值分析

李　輝，　劉宗凱，　周本謀，　江　勇

（1. 南京理工大學(xué) 瞬態(tài)物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京， 210094； 2. 南京理工大學(xué) 先進(jìn)發(fā)射協(xié)同創(chuàng)新中心， 江蘇 南京， 210094）

流向電磁力作用下回旋體局部受熱對(duì)流換熱數(shù)值分析

李輝1，劉宗凱2，周本謀1，江勇1

（1. 南京理工大學(xué) 瞬態(tài)物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京， 210094； 2. 南京理工大學(xué) 先進(jìn)發(fā)射協(xié)同創(chuàng)新中心， 江蘇 南京， 210094）

文中結(jié)合對(duì)流換熱和電磁流體推進(jìn)技術(shù)的研究， 基于對(duì)流換熱的能量方程和流場(chǎng)的基本控制方程， 利用開源軟件Elmer對(duì)流向電磁力作用下低速回旋體局部加熱對(duì)流換熱特性進(jìn)行了數(shù)值分析。研究結(jié)果表明， 在回旋體周圍施加流向電磁力后， 回旋體對(duì)流換熱功率增大。通過(guò)分析流場(chǎng)的流動(dòng)情況發(fā)現(xiàn)， 隨著電磁力增大， 電磁力覆蓋范圍內(nèi)的流體獲得更多的動(dòng)能， 使得回旋體近壁面的高溫流體更快地遠(yuǎn)離壁面， 壁面接觸到更多的低溫流體，產(chǎn)生了更多的熱交換， 對(duì)流換熱功率增大。文中研究可為水中兵器熱環(huán)境設(shè)計(jì)及反對(duì)抗措施提供參考。

回旋體； 流向電磁力； 對(duì)流換熱； 局部加熱

0　引言

水下航行器和水中兵器在未來(lái)武器發(fā)展中極可能成為激光武器的重要攻擊目標(biāo)。水下航行器和水中兵器的主要工作環(huán)境是海水， 是一種弱導(dǎo)電流體。而激光武器， 是通過(guò)高能激光直接對(duì)目標(biāo)特定部位進(jìn)行照射， 使大量的光子聚焦在目標(biāo)點(diǎn)上， 致使其表面熱量迅速飆升達(dá)到破壞閥值進(jìn)而將目標(biāo)摧毀。文中以低速回旋體為研究對(duì)象，激光作用于回旋體表面后， 回旋體表面將形成局部熱源， 從而與周圍流場(chǎng)形成對(duì)流換熱， 因此激光對(duì)回旋體的攻擊可以簡(jiǎn)化成局部加熱對(duì)流換熱模型。局部加熱對(duì)流換熱是指流體與回旋體局部受熱表面的熱量傳輸， 它是依靠流體質(zhì)點(diǎn)的移動(dòng)進(jìn)行熱量傳遞的， 與流體的流動(dòng)情況密切相關(guān)［1］，屬于強(qiáng)迫對(duì)流換熱。為了節(jié)約能源或?yàn)榱思铀佟p少散熱， 提高對(duì)流換熱效率的方法也不斷被提出， 外磁場(chǎng)流體作用磁流體［2］， 改變熱源的振動(dòng)頻率［3-4］， 增大流場(chǎng)的來(lái)流速度等。對(duì)于回旋體對(duì)流換熱的研究也已比較成熟［5］。

早在1960年， Gailitis設(shè)計(jì)了由條狀的電極和磁極相互交錯(cuò)分布的電磁場(chǎng)激活板， 將這種激活板置于流動(dòng)的弱導(dǎo)電溶液中， 在電磁場(chǎng)的作用下，流體的邊界層會(huì)受到方向一致分布均勻的電磁體力的作用。此外， 這種控制方式可以調(diào)控圓柱體繞流流場(chǎng)的分布［6-8］。從而實(shí)現(xiàn)控制圓柱繞流流場(chǎng)達(dá)到改變流場(chǎng)速度的分布［9］、減少阻力［10］等目的。

文中將采用電磁流動(dòng)控制方式， 在回旋體表面施加流向電磁力， 增加近壁面流體的動(dòng)量， 進(jìn)而影響對(duì)流換熱功率。對(duì)流換熱功率是指單位時(shí)間內(nèi)回旋體受熱壁面與流體傳熱熱量。

1　控制方程

能量方程

式中: λ為導(dǎo)熱系數(shù)； Cp為定壓比熱； ρ為流體密度；T為流體溫度； u， v為沿x和y軸方向的速度。

施加電磁力后流體的流動(dòng)控制方程

式中: V為流體速度； t為時(shí)間； P為壓力； Re為雷諾數(shù)； N為電磁力作用參數(shù)； F為電磁力。

式中: σ為電解質(zhì)的電導(dǎo)率； E0為電場(chǎng)強(qiáng)度； B0為磁場(chǎng)強(qiáng)度； u為來(lái)流速度。從式中可以看出， 電磁力作用參數(shù)N隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的變化而變化。電磁力 F在覆蓋范圍內(nèi)（d為到柱體的中心軸的距離，0.1 m＜d＜0.3 m）隨d的增大指數(shù)衰減。

2　計(jì)算模型與方法

圖1以笛卡爾坐標(biāo)系定義， 前部半球形球心為坐標(biāo)原點(diǎn)。

圖1　計(jì)算模型尺寸圖Fig. 1　Dimesion of calculation model

來(lái)流速度u∞=6 m/s， 來(lái)流溫度T∞=300 K， 壁面溫度為Ts=370 K。將模型導(dǎo)入到開源軟件Elmer，采用有限元法進(jìn)行數(shù)值仿真。

電磁力施加范圍和受熱區(qū)域如圖2所示， 其中受熱區(qū)域在xy面投影面為圓形， 半徑Rh=0.03 m。

圖2　電磁力覆蓋范圍圖Fig. 2　Coverage of electromagnetic force

3　數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

圖3為不同電磁力作用參數(shù)下xy截面處流向速度 u的分布圖。在未施加電磁力的情況下， 如圖3（a）， 回旋體近壁面處和尾部的流體流速較小，尾部有較大的滯止區(qū)。比較圖3（a）～ （e）可看出， 施加電磁后， 且隨著電磁力不斷增大， 回旋體近壁面和尾部區(qū)域的流體速度不斷增大， 尾部滯止區(qū)域逐漸減小至消失。

圖 4（a）為球截面圖， 圖 4（b）為不同電磁力作用參數(shù)下流向速度 u隨到軸線距離與半徑比值d/R變化曲線圖。由圖可以看出， 在未施加電磁力時(shí)（曲線N=0）， 隨著d/R（d為球截面上某一點(diǎn)到回旋體軸線的距離， 0.1 m＜d＜0.3 m， R=0.1 m為回旋體柱體半徑）增大， 速度也一直增大， 直至穩(wěn)定在u=6 m/s。當(dāng)施加電磁力后（曲線N=90～360）， 隨著d/R增大， 速度是先增大后減小， 拐點(diǎn)均在d/R=1.2附近。出現(xiàn)拐點(diǎn)的原因是: 在施加電磁力后， 使得電磁力覆蓋區(qū)域的流體獲得更多的動(dòng)能，而電磁力是隨著d/R衰減的。對(duì)比不同電磁力作用參數(shù)下 u-d/R曲線圖可以看出， 隨著電磁力的增大球形截面處的最大速度值是不斷增大的。

圖3　5種不同電磁力作用參數(shù)下xy截面處流向速度的分布圖Fig. 3　Distribution of flow velocity at xy section under five different electromagnetic forces

圖 4　球截面圖和不同電磁力作用參數(shù)下流向速度隨比值變化曲線Fig. 4　Spherical section and curves of flow velocity versus ratio for different electromagnetic force action parameters

圖5為不同電磁力作用參數(shù)下xy截面處溫度T分布圖。對(duì)比 5幅圖片可以看出， 隨著電磁力的增大， 回旋體近壁面處深色高溫區(qū)域減小， 這正對(duì)應(yīng)圖3和圖4中的情況， 隨著電磁力增大回旋體周圍及尾部的速度增大。由此可以得出， 隨著電磁力增大， 回旋體周圍及尾部的速度增大，使得近壁面的高溫流體更快的離開， 致使該區(qū)域的流體保持低溫， 流體和回旋體受熱區(qū)域的溫差相對(duì)較大， 回旋體對(duì)流換熱功率增大。

圖5　不同電磁力作用參數(shù)下xy截面處溫度分布Fig. 5　Temperature distribution at xy section for different electromagnetic force action parameters

圖6為回旋體對(duì)流換熱功率P隨電磁力作用參數(shù)N變化曲線圖。由圖可知， 隨著電磁力的增大， 對(duì)流換熱功率也不斷增大。當(dāng)未施加電磁力時(shí)， 回旋體對(duì)流換熱功率為6.75 W； 施加電磁力作用參數(shù)為 90的電磁力時(shí)， 回旋體對(duì)流換熱功率為8.75 W， 對(duì)流換熱功率提高了29.63%。當(dāng)電磁力作用參數(shù)為180時(shí)， 對(duì)流換熱功率為9.78 W，對(duì)流換熱功率提高了44.89%。當(dāng)電磁力作用參數(shù)為270時(shí)， 對(duì)流換熱功率為10.42 W， 對(duì)流換熱功率提高了 54.37%。當(dāng)電磁力作用參數(shù)為 120時(shí)，對(duì)流換熱功率為 10.87 W， 對(duì)流換熱功率提高了61.03%。

圖6　回旋體對(duì)流換熱功率隨電磁力作用參數(shù)變化曲線Fig. 6　Curve of convective heat transfer power of solid of revolution versus different electromagnetic force action parameters

4　結(jié)束語(yǔ)

文中研究了流向電磁力對(duì)激光作用下回旋體表面對(duì)流換熱的影響， 當(dāng)在回旋體表面施加流向電磁力后， 回旋體對(duì)流換熱的功率得到了很大的提高。文中研究可為水中兵器熱環(huán)境設(shè)計(jì)及反對(duì)抗措施研究提供參考。未來(lái)的研究中， 將結(jié)合對(duì)流換熱的情況， 研究回旋體內(nèi)部的毀傷。

［1］ 英克魯佩勒（美）. 傳熱和傳質(zhì)基本原理（第6版）［M］. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社， 2007.

［2］ 李強(qiáng)， 宣益民. 外磁場(chǎng)作用下磁流體的對(duì)流換熱特性［J］. 工程熱物理學(xué)報(bào)， 2008， 29（7）: 177-181. Li Qiang， Xuan Yi-min. Heat Transfer Characteristics of Magnetic Fluid Flow under the Influence of an External Magnetic Field［J］. Journal of Engineering Thermophysics，2008， 29（7）: 177-181.

［3］ Jin D X， Lee Y P， Lee D Y. Effects of the Pulsating Flow Agitation on the Heat Transfer in a Triangular Grooved Channel［J］. International Journal of Heat & Mass Transfer，2007， 50（15-16）: 3062-3071.

［4］ 田茂誠(chéng)， 程林， 林頤清， 等. 管外水流誘導(dǎo)管束振動(dòng)強(qiáng)化傳熱試驗(yàn)研究［J］. 工程熱物理學(xué)報(bào)， 2002， 23（1）: 63-66. Tian Mao-cheng， Cheng Lin， Lin Yi-qing， et al. Experimental Investigation of Heat Transfer Enhancement by Crossflow Induced Vibration［J］. Journal of Engineering Thermophysics， 2002， 23（1）: 63-66.

［5］ 李宗吉， 張孝芳， 王樹宗. Al/AgO電池魚雷發(fā)射管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流耦合傳熱數(shù)值模擬［J］. 魚雷技術(shù)， 2008， 16（5）: 5-7. Li Zong-ji， Zhang Xiao-fang， Wang shu-zong. Numerical Simulation of Conjugate Forced Convection in Torpedo Tube with Torpedo and AI/AgO Battery［J］. Torpedo Technology， 2008， 16（5）: 5-7.

［6］ Weier T， Gerbeth G， Mutschke G， et al. Experiments on Cylinder Wake Stabilization in an Electrolyte Solution by Means of Electromagnetic Forces Localized on the Cylinder Surface［J］. Experimental Thermal & Fluid Science，1998， 16（16）: 84-91.

［7］ Hui Z， Fan B C， Chen Z H， et al. Suppression of Flow Separation around a Circular Cylinder by Utilizing Lorentz Force［J］. China Ocean Engineering， 2008， 22（1）: 87-95.

［8］ Liu H， Zhou B， Liu Z， et al. Numerical Simulation of Flow around a Body of Revolution with an Appendage Controlled by Electromagnetic Force［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part G Journal of Aerospace Engineering， 2012， 227（2）: 303-310.

［9］ 丁漢新， 范寶春， 周本謀， 等. 圓柱繞流的邊界層及其電磁控制［J］. 南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2005， 29（3）: 308-311 Ding Han-xin， Fan Bao-chun， Zhou Ben-mou， et al. Boundary Layer of Flow around Cylinder and Its Electromagnetic Control［J］. Journal of Nanjing University of Science and Technology， 2005， 29（3）: 308-311.

［10］ Kim S J， Lee C M. Control of Flows around a Circular Cylinder: Suppression of Oscillatory Lift Force［J］. Fluid Dynamics Research， 2001， 29（29）: 47-63.

（責(zé)任編輯:許妍）

Convective Heat Transfer on Solid of Revolution with Local Heating under Flow-Directional Electromagnetic Force

LI Hui1，LIU Zong-kai2，ZHOU Ben-mou1，JIANG Yong1
（1. Science and Technology on Transient Physics Laboratory， Nanjing University of Science and Technology， Nanjing 210094， China； 2.Advanced Launch Collaborative Innovation Center， Nanjing University of Science and Technology， Nanjing 210094， China）

In this paper， based on the energy equation of convective heat transfer and the basic control equations of flow field， simulation is conducted with the software Elmer to analyze the local convective heat transfer characteristics of the solid of low velocity revolution under the action of flow-directional electromagnetic force. The results show that the power of convective heat transfer increases when the electromagnetic force is exerted around the solid of revolution， and with the increase in the electromagnetic force， the fluid within the scope of the electromagnetic force gains more motion energy to drive the high temperature fluid near the wall of the solid of revolution leaving away more rapidly， thus the wall can contact more low-temperature fluid， resulting in more heat exchange and higher convective heat transfer power. The research in this paper can provide reference for the design of the thermal environment of the underwater weapon and the counter measures.

solid of revolution； flow-directional electromagnetic force； convective heat transfer； local heating

TJ630.1； O361； TK124

A

1673-1948（2016）05-0321-04

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.05.001

2016-08-10；

2016-08-31.

中國(guó)博士后基金（2015M571756）、江蘇省自然科學(xué)青年基金（BK20140792）、江蘇省博士后基金（1401123C）.

李輝（1990-）， 男， 碩士， 主要從事電磁流體控制研究.