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基于场协同理论的脉动流传热机理研究和火积耗散评价

王勋廷  
【摘要】:脉动流换热以其换热效率高,且有助于清除换热器壁面污垢的优点成为传热学界的研究焦点,但是脉动流加强换热的机理尚不十分明确。本文在实验的基础上,以场协同的视角,数值分析的方法探究脉动流强化传热的机理,并依据火积耗散理论对脉动流传热做出评价。搭建三角槽道脉动流传热实验台,以水为工质,在脉动振幅A=0.2,Re=300和450条件下,进行不同脉动频率f的传热实验。发现随着f的增大,Nu数先增大后减小,存在一个f使得脉动传热效果最好。本实验条件下,Re=300,f=0.5 Hz时的Nu数最大,较稳态时增长50%。建立适合本实验的无量纲协同方程和无量纲协同数Fc。模拟计算稳态流以及A=0.2,Re=300和450不同频率的Fc数。发现与稳态流相比脉动流的Fc数显著增大,Fc数随频率变化的趋势和Nu数相同,存在一个f使得Nu数和Fc数同时达到最大值。脉动流使流体产生了涡的周期性生长、发展、脱落,涡的运动促进了流体微团之间的相互掺混,催生了两个高Fc带,从而改善了整个流场的场协同性,增大了热量传递方程中的对流项。这也就是脉动流强化传热的内在原因。模拟计算了对应实验工况时的火积耗散。结果表明:脉动流显著降低了传热过程的火积耗散,与Nu数、Fc数相反火积耗散随脉动频率的变化先减小后增大,存在一个脉动频率,使得Nu数、Fc数最大的同时火积耗散最小。脉动流具有提高换热效率和降低热势能耗散的双重功效。


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