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脉动流与壁面振动强化传热及除垢特性研究

林纬  
【摘要】:换热设备换热性能的提高主要通过强化传热和降低污垢热阻来实现。脉动流作为一种改变流场的有效手段,对介质流通通道内(平板通道、圆管)的传热性能的影响还没有一致结论,但相关实验研究表明,脉动流能显著降低介质流通内壁污垢热阻,但其影响机理缺乏相关的理论研究。而对于换热元件外部绕流,流动会产生速度脉动和压力脉动,从而引起换热元件振动和其下游尾涡结构的变化,进而影响传热,现今缺乏如何控制尾涡结构变化来提高传热性能的相关研究。本文采用理论分析、实验研究和数值模拟的方法对平板通道内和圆管内层流脉动流的强化除垢特性的关键流动参数、脉动流绕流的强化传热机理和换热元件在自由涡激振动下的传热特性及传热机理进行了研究,阐释脉动流、壁面振动等主动强化传热技术的强化传热及除垢特性,得到最优的控制参数。本文主要研究内容如下。本文首先建立了平板通道内脉动流的数学模型,应用分离变量法理论推导了平板通道内充分发展层流脉动流的速度场和壁面剪切应力解析解,通过对比分析脉动流与稳态流的壁面剪切应力比值的大小,讨论了脉动流参数(频率、振幅)对脉动流强化除垢特性的影响。得到低频脉动流与稳态流的壁面剪切应力比值随脉动流振幅线性增长,且存在临界振幅π,当振幅大于π时,壁面剪切应力比值大于1,产生强化除垢效果。理论分析了脉动流在除垢过程中的能量利用效率,得到低频(0M≤1)、低振幅的脉动流具有更高的能量利用效率,并得到当稳态流与脉动流能量输入功率相等时,只有无量纲频率大于2,才具有强化除垢效果。随后基于贝塞尔函数变换,求解了圆管内充分发展段层流的速度分布和壁面剪切应力分布,得到了壁面剪切应力比值与脉动流参数、平均流量和能量输入功率的关系,基于壁面剪切应力比值大小讨论脉动流的强化除垢特性及最优参数。当脉动流脉动频率为低频时,壁面剪切应力的比值随着无量纲振幅线性增长,只有当无量振幅大于?/2,脉动流才具有强化除垢效果;得到当脉动流的半周期流量恒定时,存在一个临界无量纲频率M?6.4,只有当无量纲频率大于此值时,脉动流才具有强化除垢效果。根据理论分析结果,建立由污垢测试平台和测量采集系统组成的污垢实验系统,基于污垢热阻法实验测试了污垢的生长特性,对比分析脉动流对光管内污垢生长特性的影响。脉动流具有阻垢作用,频率为2Hz的脉动流作用下的污垢的渐进污垢热阻值比稳态流下的渐进污垢热阻值减小25%,而且,随着脉动流频率的增加,污垢生长的诱导期延长,渐进污垢热阻值也随之减小。数值模拟了在脉动流作用下,换热管内的流场特征,分析了脉动流阻垢机理,脉动流引起换热壁面的最大剪切力比稳态流时大,剪切力的增大促进了污垢的剥蚀,减缓了污垢生长速度,降低了渐近污垢热阻值,而且脉动流频率越大,阻垢效果越明显。根据换热管脉动流绕流特征,建立方形截面换热管外脉动流流动与传热的计算模型,数值模拟了Re=100时,换热管外脉动流的流动与传热性能及强化传热机理,得到脉动流是一种有效的主动控制尾涡结构方法。当脉动流绕过方形截面换热管时,发生锁定现象,锁定频率的范围随脉动流振幅逐渐增大。当脉动流频率等于系统固有频率或2倍系统固有频率时候,传热效果得到显著增强,传热性能最大可提高16%。讨论了脉动流引起的换热管下游尾涡结构的变化对传热性能的影响,尾涡的脱离频率和回流区长度直接决定了传热性能。最后,建立了流体诱导振动圆形换热管流动与传热数学模型,采用CFD和Newmark-β方法耦合求解了低雷诺数下不同质量比的圆形换热管涡激振动规律,分析得到自由涡激振动下换热管外部的对流传热性能。结果表明随着质量比的降低,锁定区间雷诺数范围增大,且进入锁定区间的雷诺数降低,离开锁定区间的雷诺数增大。而当涡激振动处于锁定状态时,换热元件下游漩涡的脱离速度加快,回流区长度变短,产生强化传热效果。


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