多尺度柱群繞流換熱強(qiáng)化機(jī)理研究.pdf

1、柱體繞流換熱尤其是圓柱結(jié)構(gòu)，被廣泛地應(yīng)用在如換熱器、冷卻塔、發(fā)電機(jī)等工程實(shí)踐中，應(yīng)運(yùn)而生的強(qiáng)化換熱技術(shù)發(fā)展十分活躍。由于多尺度的結(jié)構(gòu)可以獲得更大的換熱面積，同時(shí)系統(tǒng)的阻力上升在可接受的范圍內(nèi)，近些年來，多尺度結(jié)構(gòu)在強(qiáng)化換熱領(lǐng)域倍受青睞，但是對其流動(dòng)和換熱規(guī)律的研究仍然比較缺乏。根據(jù)這一思想，本文針對層流流動(dòng)，建立了雙尺度串列圓柱和多尺度分形柱群模型，對其繞流換熱問題進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)值模擬分析，并與均勻管束進(jìn)行了比較。
　　對于雙尺度

2、串列圓柱結(jié)構(gòu)，詳細(xì)研究了直徑比和間距比等幾何配置參數(shù)對流動(dòng)和換熱的影響。研究表明，兩圓柱之間的間隙流動(dòng)形態(tài)會(huì)對流動(dòng)阻力和換熱造成重要影響。當(dāng)小圓柱前置時(shí)，間隙流動(dòng)形態(tài)分為對稱渦、交替渦和尾流撞擊三種模式。小圓柱后置時(shí)，在小直徑比（0.2~0.5）下，圓柱尾跡的流動(dòng)結(jié)構(gòu)只存在延伸體和尾流撞擊兩種模式。而在較大的直徑比（0.8~1）下，間隙流動(dòng)形態(tài)與小圓柱前置時(shí)類似?？傮w來說，流動(dòng)形態(tài)的轉(zhuǎn)變都發(fā)生在間距比為2和3.5之間。繼續(xù)增大間距比，流

3、動(dòng)就趨于穩(wěn)定。數(shù)據(jù)顯示，在尾流撞擊模式下使用不等直徑的圓柱系統(tǒng)可以帶來系統(tǒng)平均換熱系數(shù)的增加，同時(shí)系統(tǒng)阻力會(huì)減小或者略有增加。另外，間距比大于4時(shí)，系統(tǒng)換熱系數(shù)和阻力系數(shù)隨間距的改變變化很小。
　　在雙尺度的基礎(chǔ)上，詳細(xì)研究了多尺度分形柱群結(jié)構(gòu)和均勻圓柱群內(nèi)的流動(dòng)換熱，并做了比較分析。研究表明：在分形結(jié)構(gòu)中，流體流動(dòng)流線呈現(xiàn)彎曲和自相似的特征。分形圓柱群與方柱群的系統(tǒng)努謝爾數(shù)隨雷諾數(shù)的變化趨勢基本類似，但是分形圓柱群換熱性能較好，

4、流動(dòng)阻力也相對較小。文章最后將分形柱群系統(tǒng)努謝爾數(shù)擬合為雷諾數(shù)的冪函數(shù)，結(jié)果顯示，隨著分形柱群級(jí)數(shù)增加，雷諾數(shù)的指數(shù)逐漸增大。四級(jí)分形柱群的努謝爾數(shù)與雷諾數(shù)近似成線性關(guān)系。另外，第三級(jí)和第四級(jí)結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)式中，雷諾數(shù)的指數(shù)較為接近，這一結(jié)果表明：對于分形柱群繞流系統(tǒng)，在三級(jí)以后，繼續(xù)增大級(jí)數(shù)來增加換熱面積并不能帶來更顯著的換熱效果。與分形柱群相比，均勻柱群系統(tǒng)流動(dòng)阻力較小，而換熱性能下降。
　　本文對不同尺度的換熱過程進(jìn)行了系統(tǒng)的研