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热量运输机理及其在混沌流强化传热中的应用研究

孔松涛  
【摘要】: 随着社会经济的发展,能源问题已经渗透到社会的各个方面。能源的转换和利用普遍存在于石油、化工、能源、冶金、材料等工程领域以及航空、电子、核能等高科技领域。降低换热设备的重量、减少换热设备的体积、节能降耗等成为了现代热科学研究领域的热点问题。热量传递与优化是能量应用的关键问题,广泛的存在于能量利用的各个过程。 本文的主要目标是以对流换热的基本物理机理为切入点,以对流换热关键控制分析为基础,以停留时间分布和非线性理论为工具,以类管状流道为基本研究对象,在前人对混沌流研究的基础上,开发出基于新流态的全新的混沌流板翅式换热器翅片,并揭示混沌流强化传热的本质。 本文的研究工作包括: 从对流换热的能量方程出发,重新分析层流和湍流流动特性,得到这两种流动中传热的控制因素,建立新的流动传热控制模型,得到了能量方程新的表达方式,从而指出影响对流换热的关键因素,为开发新的强化传热方法提供理论和实验的指导。 从热量运输的观点出发得知,在类管状流道中,径向流动改善速度热量的运输方向;切向流动增加热量的装载效率,这两种流动对于传热有利。在粘性耗散一定的条件下,以热量传递外界消耗机械能最小为优化目标,得到了三角形流道内由于扭曲和摆动而导致的最佳换热流场。 提出一种新型板翅式换热器翅片,并对其流动截面上的动力学进行分析发现,这个简化的动力学模型完全符合Duffing方程。流道内流动在合适的条件下可能演化为混沌流。通过数值计算的方法证实了流道中流动情况与假定情况相似,表明通过假定简化后的流动动力学模型具有较高的可信度。 将热量运输的观点指导下获得的最佳流场和混沌流场相比较发现,两者很相似。混沌流道内多纵向涡的分布符合三角形流道内层流对流换热的最佳流场的纵向涡的分布。通过分析发现,这种基于混沌流现象的纵向涡可显著强化管内层流换热而流阻增加很少。效能因子η_e最高可以达到接近200%,其换热增加显著强于流阻的增强。 结合传质的特点,并将反应器内研究混合情况的停留时间分布(RTD)概念引入混沌流传热研究中,扩展了Pe准数的物理含义,指出在Pe准数是衡量管内对流换热的重要标志参数,揭示了混沌流强化传热的本质。对混沌流的传热效果做了定量的分析,并提出了预测强化传热能力的方法。 以数值计算为主,结合实验验证研究发现,在混沌流翅片这样复杂的流道内,层流向湍流转变的临界雷诺数有所降低。通过改变流道结构参数、流动状态、介质特性等条件,建立不同的计算模型,计算结果发现流速是影响混沌流翅片流道内流动与传热的主要因素,并回归出流动阻力系数和传热无因次准数关系式。 本文的研究内容,为开发新的强化传热技术以及类管状体内混沌流强化传热的研究提供了理论和实验的支持。


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