SST <i>k</i>-<i>ω</i>-<i>γ</i>模型修正及其对螺旋管内层流向湍流转捩过程的预测
来源：核动力工程杂志2024年第6期北京时间：
作者：蔡昀彤, 赵后剑, 李晓伟, 苏阳, 鹿一鸣, 郭张鹏, 刘芳
单位：1.华北电力大学核科学与工程学院，北京，102206；2.清华大学核能与新能源技术研究院，北京，100084；
摘要：螺旋管式换热器因具有结构紧凑和换热性能好等优点，在各领域被广泛应用。区别于直管内流动，流体在螺旋管内流动时会受到离心力作用。由于离心力的存在，螺旋管内层流向湍流转捩的临界雷诺数会随着螺旋曲率的增大而增大。本文采用数值方法研究了螺旋管内层流向湍流的转捩过程，通过分析阻力系数随雷诺数的变化关系，对比剪切应力输运（SST） <i>k-ω-γ-Re</i><sub>θ</sub>模型和SST <i>k-ω-γ</i>模型模拟转捩过程的准确性，分析了不同入口湍流强度（5%、10%）对计算结果的影响。SST <i>k-ω-γ-Re</i><sub>θ</sub>模型对入口湍流强度较敏感，而SST <i>k-ω-γ</i>模型受入口湍流强度影响较小。与前人经验关系式相比，SST <i>k-ω-γ</i>模型模拟得到的临界雷诺数偏大。本文通过调节SST <i>k-ω-γ</i>模型中<i>γ</i>输运方程的经验系数，发现经验系数<i>C</i><sub>TU1</sub>对转捩起始点有较大影响，同一曲率下，临界雷诺数随<i>C</i><sub>TU1</sub>增大而增大。本文基于现有经验公式确定了不同曲率螺旋管（0.02、0.04、0.06、0.11）所对应的<i>C</i><sub>TU1</sub>，并拟合得到螺旋曲率和<i>C</i><sub>TU1</sub>的关联式，验证了修正后SST <i>k-ω-γ</i>模型模拟螺旋管内层流和湍流阻力系数的准确性，比较了SST <i>k-ω</i>模型和修正SST <i>k-ω-γ</i>模型计算结果中速度、湍动能以及湍流粘度等变量的不同。
关键词：螺旋管, 阻力系数, 层流, 湍流, 转捩
基金资助：国家重点研发计划资助项目（2022YFB1902503）；国家自然科学基金面上项目（12275084）
