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脉冲流动和壁面振动传热研究

俞接成  
【摘要】:脉冲流动和壁面振动都可通过使流体脉动来影响换热。前人对脉冲流动换热问题进行了大量研究,但研究的结果并不一致,甚至出现截然相反的结果;而壁面振动是工程实际中不可避免的问题。本文研究了典型脉冲流动和壁面振动的对流换热问题,并应用场协同理论分析了能否强化换热的物理机制。 采用复分析法和分离变量法,理论分析了平行平板通道和圆管内的层流脉冲流动对流换热,获得了壁面为等热流条件时的温度分布的解析解,并对等热流和等壁温边界的脉冲流对流换热进行了数值模拟。理论分析和数值计算结果表明,从周期平均的角度看,脉冲流动不会强化换热,脉冲流动只是使瞬时速度、温度和Nu绕相同Re下的稳态流动时的数值波动。 数值分析了带有内环肋的圆管中层流脉冲流动对流换热,表明脉冲流动改变了相邻两环肋间的涡流,从而可明显的使换热强化。而且,存在最佳无量纲角频率,最佳无量纲角频率随Rem的增大而增加。 对空气低速绕流振动圆柱的对流换热进行了数值模拟,圆柱以正弦函数形式垂直于来流方向振动。计算结果表明,圆柱振动可使换热显著强化,在所计算的工况下,最大可使换热强化9倍。而且,振动是否强化换热还存在临界振动参数。 采用周期平均的方法,推导了脉冲流动和绕流振动圆柱时对流换热的场协同关系式,与稳态时一样,速度场与温度梯度场协同得越好,换热越强。对上述流体振动换热问题进行的场协同分析表明,流体在平行平板通道和圆管内流动时没有垂直于换热壁面方向的速度分量,脉冲流动只是使流体在平行于换热壁面方向上脉动,场协同数的周期平均值与稳态流动时相等,因此,从周期平均的角度看,脉冲流动不能使换热强化;而流体在带有内环肋的圆管中流动或绕流振动圆柱时均存在垂直于换热壁面方向的速度分量,脉冲流动或圆柱振动使流体在垂直于换热壁面的方向产生脉动,改善了速度和温度梯度场的协同,从而使换热强化。因此,通过流体脉动方式进行强化传热时,应使流体脉动能改变垂直于换热壁面方向的速度分量。


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