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振动圆管外强化传热机理及污垢生长特性研究

冷学礼  
【摘要】: 振动强化传热因其良好的效果曾在20世纪70年代引起关注,但因难以在换热器内实现振动而停止研究。随着技术的发展与进步,实现振动方法的拓展,这一课题也在逐渐兴起。对振动表面上传热机理的研究具有理论指导意义与实际应用价值。在强化传热的同时,不应忽略污垢阻碍强化传热的过程,因此有必要对振动表面的污垢生长进行研究。场协同原理作为研究壁面对流换热的工具,也应该在实践中不断得到扩充、检验与运用。本文对这三个方面中的问题进行了分析和研究。 通过对场协同原理的分析,提出了换热面上场协同分析中算术平均协同角、积分平均协同角及协同匹配系数的定义方法。用算术平均协同角衡量面上温度梯度场与速度场夹角余弦平均值,用积分平均协同角衡量带有速度权的换热面上温度梯度场与速度场夹角余弦平均值。用协同匹配系数K反映整个换热面上场协同的匹配程度。定义了无量纲速度与无量纲协同角余弦,并根据无量纲速度与无量纲余弦值的(?)-(?)_L图表示面上各处的场协同匹配性能分布,根据K值分界线与匹配分界线分析面上场协同匹配性能。 对振动圆管表面流场与温度梯度场间的协同角、速度以及协同匹配性能进行研究。在每一时相位处,圆面上的场协同性能分布具有明显的规律性,在面相位0°与180°附近协同性能最好,并向两侧逐渐递减。随着时相位移向平衡位置,圆面上协同性能趋好的区域逐渐变大。在θ=0°附近,α=0°处流体的流动速度比α=90°附近流动速度低,圆面上的速度从θ=0°到θ=90°的时间内,圆面上各处的流动速度逐渐增大。在时相位40°-60°附近面上速度基本均匀,之后从α=0°到α=90°区域内速度逐渐减小,此时圆面上的积分协同角面均值小于算术协同角面均值,圆面上的场协同性能与匹配性能均趋好,直到圆面上的积分协同角面均值大于算术协同角面均值后,圆面上的场协同性能与匹配性能趋差,并在时相位180°上基本恢复到θ=0°时的状态。 对面上各处流动的协同角时均值,速度时均值与对流换热系数在圆面上的分布进行了分析。换热面上的协同角余弦时均值与速度时均值决定了面上对流换热系数的分布,在面相位0°与180°附近的对流换热系数最大,然后向两侧逐渐递减。协同角余弦的面均值,速度面均值的乘积决定了对流换热系数面均值的变化趋势。在时相位90°附近的对流换热系数最大,然后向两侧递减。 对振动圆管外总的场协同性能进行了统计,在本文计算范围内,算术平均协同角在47°—66°之间,换热面上总的场协同性能很好。面上的总积分平均协同角小于总算术平均协同角,说明振动能够提高换热面上的协同匹配性能。在边界层外场协同性能改善的同时,振动频率的增加对改善边界层厚度有明显的作用。 对振动圆管外的流体特性进行了分析,指出抑制贴壁流路,提高场协同性能的方法,将圆管上下部添加肋片增加贴壁流动的流阻,从而降低其流速,改变部分流体流动方向与壁面的夹角,改变流动特性使场协同性能提高。对改进方法进行数值验证,结果证明肋片的加入提高了圆管外流动的夹角余弦平均值与速度平均值,从而提高了管外对流换热系数。肋片高度与肋片上方回流区高度的总和是肋能够影响管外场协同性能的有效高度。 建立振动强化传热实验台测量了振动圆管外的对流换热随振动参数的变化,在相同振幅下,对流换热随频率的增加而增强,并在某一转折点处出现对流换热系数迅速增大的现象,且随着振幅的降低,出现这一转折点的频率会逐渐升高。实验发现振幅对强化传热也起到一定的改善作用。拟合了实验条件下振动圆管外对流换热与相关参数的公式,并得出相同振动Re_ν数下高频的振动更有利于强化传热的结论。 实验研究了振动圆管外的污垢生长过程,发现在相同热流密度下,振动能够大大降低圆管表面污垢热阻渐近值,污垢热阻渐近值降低的程度与振动Re_ν数呈负指数关系。分析指出振动圆管外剪应力增加、污垢结构不同、硬度不均匀等是形成污垢有序凹凸的主要原因。 通过对渐近线型污垢生长过程的分析,提出稳态热阻法测量污垢热阻时间常数和渐近值的改进方法,指出污垢时间常数反比于两次测量得到的污垢生长速率比值的对数,正比与两次测量时间的间隔。污垢热阻渐近值可以通过第二次测量的污垢热阻,污垢生长速度以及首次测量的污垢生长速度表示。使用此方法可以在短时间内获得渐近线型污垢的时间常数和热阻渐近值。


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