Numerical simulation of a periodic quasi-switching mode of vortex generation and heat transfer in a conical dimple with an inclination angle of 10° on the wall of a narrow channel

Abstract

Обосновывается применимость решения нестационарных осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса (URANS) для численного моделирования периодического квазипереключательного режима вихревой генерации и теплообмена в глубокой конической лунке с углом уклона 10о на стенке узкого канала. Для расчета турбулентного режима используется модифицированная с учетом влияния кривизны линий тока в рамках подхода Роди-Лешцинера-Исаева модель переноса сдвиговых напряжений Ментера 2003 года. При Re=104 установлен период колебаний поперечной Rz и продольной силы Rx, а также суммарной теплоотдачи Numm на контрольный участок нагретой стенки канала с лункой, равный 60, который соответствует числу Струхаля St=0.0167. Компьютерная визуализация закрученных струйно-вихревых потоков демонстрирует источники типа фокусов на боковых гранях лунки. На автоколебательном режиме формируется двухячеистая вихревая система с различной интенсивностью на периоде колебаний Rz. Периодические изменения трения, числа Нуссельта и температуры зарегистрированы в продольной и поперечной срединных сечениях лунки и отражают колебания вихревой структуры слева-направо и справа-налево. Показано формирование веерной струи, которая колеблется относительно плоскости продольной симметрии, вызывая перераспределение силовых и тепловых нагрузок. The present article substantiate application of URANS approach to numerical simulations of a periodic quasi-switching mode of vortex generation and heat transfer in a deep conical dimple with an inclination angle of 10° on the wall of a narrow channel. The F. Menter's SST k-omega turbulence model of 2003 year was used considering streamlines curvature on a basis of the Rodi-Leshtsiner-Isaev approach. At the Reynolds number equal to 10^4 the period of oscillation of the transverse Rz and longitudinal force Rx has been determined, total heat transfer Numm in a reference section of a heated wall of the channel with a hole at St=0.0167 was also computed. Computer visualization of swirling jet-vortex flows demonstrates sources such as focuces on the dimple's side faces. In the self-oscillating mode, a two-cell vortex system is formed with different intensities over the oscillation period Rz. Periodic changes in friction, Nusselt number and temperature are arised in the longitudinal and transverse middle sections of the dimple and reflect fluctuations of the vortex structure from left to right and from right to left. The formation of a fan jet is shown, which oscillates relative to the plane of longitudinal symmetry, causing a redistribution of power and thermal loads.