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旋转曲线管道内流动结构与换热特性研究

陈华军  
【摘要】: 旋转曲线管道系统广泛存在于实际工程应用中各种旋转机械装置中的管路冷却系统、控制管路系统、流体输送管路系统。在旋转状态下,这些曲线管路系统中的流动和换热特性将会发生什么样的变化,是对管路系统的性能以及旋转装置的运行安全至关重要的问题,也是管道流动中研究很少,又是迫切需要解决的课题;同时,这个课题还可以应用于生物流体力学:当人体处于作高速旋转或曲线运动的飞行器或宇航飞行员训练的旋转装置中,人体血管内血液流动将会发生什么样的变化,是航天生理学研究的重要课题。因此本课题具有重要的理论意义和广阔的应用前景。 本文在总结和分析了一个世纪以来有关曲线管道流动和换热特性的研究成果的基础上,以旋转正交曲线坐标系统下的多参数旋转螺旋管道中的对流传热为物理模型,通过摄动方法和有限体积法,首次对各种截面(圆截面、椭圆截面、环形截面、矩形截面)旋转曲线管道内充分发展流动的流动结构和传热特性(包括耦合对流传热特性)以及旋转曲线管道开口段发展流动的流动结构和换热特性进行了系统的数值模拟和理论分析,详细讨论了各种无量纲参数对管道内轴向速度分布、二次流结构、温度分布、壁面摩擦力、摩擦系数比以及管道Nusselt数的影响,获得了若干创新性成果。 结果表明:旋转曲线管道内充分发展的流动结构和与静止曲线管道存在着明显差别。当旋转方向和主流方向相同时,旋转的作用加强了二次流的强度,使得管道摩擦系数变大,管道换热效果增强;当旋转方向和主流方向相反时,管道内流动结构变化十分明显,F≈-1.2时,流动结构最为复杂,摩擦系数降至最低,换热效果最弱。管道内温度的分布与Pr数密切相关。不同的F下挠率和曲率对流动结构、摩擦系数和Nusslt数的影响不同。对于矩形截面和椭圆截面管道,当控制参数较大时,流动会出现分叉现象。当管道被加热或冷却时,离心型浮力对流动结构和换热特性作用明显,给定的旋转条件下,当Ra_Ω增大或减小到某一临界值,流动会出现离心浮力型不稳定现象。在曲线管道的开口端,流场结构的发展过程与F密切相关,开口端各流动特征量变化十分显著。管道的摩擦系数比沿轴向变化与入口类型以及旋转条件密切相关。由于旋转和曲率的影响,旋转曲线管道的开口端长度相比较直管而言大大增大。管道入口附近的对流换热特性变化十分明显,温度场的发展过程与Pr数以及F密切相关。


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