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三角槽和凹槽通道内层流脉动流动的PIV实验研究

景延芹  
【摘要】:截面呈周期性变化的通道在紧凑式换热器,微电子系统以及生物工程等领域中有着广泛的应用。当此类通道中流体处于低雷诺数层流流动时,由于流体的粘性力占主导作用,流体的掺混效果差,因而传热能力低。对截面呈周期性变化通道内的层流流动施加脉动扰动则可以有效地强化换热。研究表明,脉动流场中由漩涡引起的流体的掺混增强是传热强化的关键因素。因此研究层流脉动流场,分析流体的掺混具有重要的理论和现实意义。 本文利用PIV技术(粒子图像测速技术)对截面呈周期性变化的通道(三角槽和凹槽)的流场分别进行了实验。获取了在不同的脉动频率f(0.27Hz、0.52Hz、0.77Hz),不同几何参数即槽深a (6mm、9mm、12mm)和槽宽l(12mm、18mm、24mm)时的通道内的层流脉动流动的瞬时速度场,分析了流动特性即漩涡的特性参数,并将PIV实验与传热实验结果进行了比较,从流体掺混的角度分析了强化换热机理。 实验结果表明,在三角槽和凹槽通道中,流体的脉动会引起漩涡的大小、转速和中心位置的周期性变化。当流动加速时,漩涡在槽道的背风面靠近主流处形成,随后被推进槽内旋转、成长;当流动减速时,漩涡卷吸相对慢速的主流进行膨胀,促进槽内流体和主流之间的掺混。此外,在三角槽中脉动流场中的漩涡演变过程可以分为漩涡的形成、成长、膨胀和被主流推向下游;而在凹槽通道中漩涡形成、成长、膨胀后最终消失于凹槽槽道内部。 脉动频率对三角槽和凹槽内流体掺混的影响的变化趋势相同,随着脉动频率的增加,掺混效果先增强后减弱,f=0.52Hz掺混效果好于户0.27Hz和户0.77Hz时。三角槽中,槽深a=12mm时掺混的程度和范围都大于a=9mm和a=6mm时;凹槽中,随着槽深度增加,掺混强化的效果逐渐变差,a=6mm时掺混强化较好。同时,槽宽也影响着凹槽槽内流体之间以及槽内流体与主流之间的掺混增强程度,流体掺混强化的效果随着槽宽的增加先增强后减弱,l=18mm时掺混增强效果较l=12mm和l=24mm时好。


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