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在管内核心区插入多孔介质实现强化传热的实验与数值研究

黄志锋  
【摘要】: 能源是社会发展的重要物质基础,目前,在世界范围内普遍存在着能源短缺的问题,而对于正在全面开展现代化建设的我国来说,能源问题的重要性是不言而喻的。设计和制造各类高性能换热设备是节约能源的最重要手段,因此强化传热技术的开发对解决能源问题具有积极意义。传统的强化传热技术主要是针对换热表面实施强化措施,其目的是破坏换热边界层,增加边界流上的流体扰动,实现换热的强化,然而这种方式不可避免地会增加流体的流动阻力,使强化换热的综合性能(PEC)偏低。与传统上基于换热表面的强化传热技术不同,刘伟教授提出了基于流体的核心流强化传热理论,他认为在受限空间中流动的流体的核心区是一个值得利用的强化传热区域,通过将核心区流体的温度均匀化,就可以在换热表面附近的边界区形成一个很大的温度梯度,从而实现换热的强化。这种方法不需要对边界流体作过多的扰动,所以流体的流动阻力增加有限,强化换热综合性能可以得到显著的提高。 金属多孔介质由于拥有优秀的温度均匀性能而成为核心流强化传热理论应用于管内强制对流换热问题的一种重要元件。本文以空气作为流动介质,在定热流的加热条件下,对在管内核心区插入各种形式的多孔介质时的换热与流动特性进行了实验和数值研究,并运用场物理量协同分析了流场中各个协同角之间的关系。研究结果表明,在管内的核心区插入多孔介质可以获得优秀的强化换热综合性能,从而验证了核心流强化传热理论的正确性。 本文首先对在管内核心区插入环状多孔介质时的对流换热过程进行了数值分析,其中环状多孔介质的填充方式分别为以下三种:(1)在充分发展的层流核心区中插入环状多孔介质;(2)在层流的热入口段核心区中插入环状多孔介质;(3)在层流的热入口段核心区中插入轴向非连续的环状多孔介质。 数值分析结果表明,在运用插入环状多孔介质的方法进行强化传热时,多孔材料的孔隙率ε对强化管的综合换热性能有显著的影响,孔隙率越大,综合换热性能越好。而且,对于内径为18mm的圆管,在环状多孔介质的外半径R0固定的条件下,其中心孔半径Ri的最佳值为1mm,进一步缩小Ri的值对换热综合性能的影响甚微,在某些情况下甚至会使综合性能下降。另外,对于在管内层流热入口段的核心区插入轴向非连续的环状多孔介质实现强化传热的形式,为了获得理想的强化换热综合性能,应该尽可能减小环状多孔介质的轴向间距(Le),使多孔介质排列尽可能紧密,以减小圆管表面传热系数h的衰减。只要Le足够小,这种轴向非连续的填充方式能够比连续填充时取得更好的强化换热综合性能。 另外,本文设计并制造了用于研究空气在圆管内对流换热的实验系统,通过对光管对流换热问题的实验研究验证了实验结果的可靠性。并且对在管内核心区插入3种自行设计的孔隙率不同的网状多孔介质时的对流换热进行了实验研究,另外还以实验工况为物理模型,对实验研究的问题进行了数值模拟和分析。 实验结果表明在管内的核心区插入网状多孔介质是一种有效的强化传热方法,在Re=1000~19000的范围内,其换热强度比光管提高1.6~5.5倍,但与此同时,也会在一定程度上增大流体的流动阻力。这种强化传热方法可以在层流域内获得较好的性能,其PEC值均大于1,而最大值可以达到1.44左右。而且网状多孔介质的孔隙率ε对强化管的传热和流动性能均有显著的影响,在不同的Re数范围内,获得最佳换热性能对应的多孔介质孔隙率并不一样。 通过与实验结果的比较,本文获得了一个准确度较高的描述管内核心区插入网状多孔介质对流换热的数值模型。数值模拟的结果表明在管内核心区插入网状多孔介质可以使该区域流体的温度分布极大地均匀化,从而在靠近管壁处形成一个很大的温度梯度,这是换热得到强化的主要原因。而且,为了取得优秀的强化换热综合性能,多孔介质的填充比Rrad在小于1的前提下必须取得足够大,从而将流动阻力的增幅控制在一个可接受的范围内的同时增强换热。 本文分别从理论分析,数值模拟和实验研究三个方面对在管内核心区插入多孔介质时的换热与流动特性进行了研究,所得的结果验证了核心流强化传热理论的正确性,为新型强化传热元件的设计提供了参考和指导。


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