脈動流與壁面振動強化傳熱及除垢特性研究.pdf

1、換熱設(shè)備換熱性能的提高主要通過強化傳熱和降低污垢熱阻來實現(xiàn)。脈動流作為一種改變流場的有效手段，對介質(zhì)流通通道內(nèi)（平板通道、圓管）的傳熱性能的影響還沒有一致結(jié)論，但相關(guān)實驗研究表明，脈動流能顯著降低介質(zhì)流通內(nèi)壁污垢熱阻，但其影響機理缺乏相關(guān)的理論研究。而對于換熱元件外部繞流，流動會產(chǎn)生速度脈動和壓力脈動，從而引起換熱元件振動和其下游尾渦結(jié)構(gòu)的變化，進而影響傳熱，現(xiàn)今缺乏如何控制尾渦結(jié)構(gòu)變化來提高傳熱性能的相關(guān)研究。
　　本文采用理論

2、分析、實驗研究和數(shù)值模擬的方法對平板通道內(nèi)和圓管內(nèi)層流脈動流的強化除垢特性的關(guān)鍵流動參數(shù)、脈動流繞流的強化傳熱機理和換熱元件在自由渦激振動下的傳熱特性及傳熱機理進行了研究，闡釋脈動流、壁面振動等主動強化傳熱技術(shù)的強化傳熱及除垢特性，得到最優(yōu)的控制參數(shù)。本文主要研究內(nèi)容如下。
　　本文首先建立了平板通道內(nèi)脈動流的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用分離變量法理論推導(dǎo)了平板通道內(nèi)充分發(fā)展層流脈動流的速度場和壁面剪切應(yīng)力解析解，通過對比分析脈動流與穩(wěn)態(tài)流的壁

3、面剪切應(yīng)力比值的大小，討論了脈動流參數(shù)（頻率、振幅）對脈動流強化除垢特性的影響。得到低頻脈動流與穩(wěn)態(tài)流的壁面剪切應(yīng)力比值隨脈動流振幅線性增長，且存在臨界振幅π，當(dāng)振幅大于π時，壁面剪切應(yīng)力比值大于1，產(chǎn)生強化除垢效果。理論分析了脈動流在除垢過程中的能量利用效率，得到低頻（0　　隨后基于貝塞爾函數(shù)變

4、換，求解了圓管內(nèi)充分發(fā)展段層流的速度分布和壁面剪切應(yīng)力分布，得到了壁面剪切應(yīng)力比值與脈動流參數(shù)、平均流量和能量輸入功率的關(guān)系，基于壁面剪切應(yīng)力比值大小討論脈動流的強化除垢特性及最優(yōu)參數(shù)。當(dāng)脈動流脈動頻率為低頻時，壁面剪切應(yīng)力的比值隨著無量綱振幅線性增長，只有當(dāng)無量振幅大于?/2，脈動流才具有強化除垢效果；得到當(dāng)脈動流的半周期流量恒定時，存在一個臨界無量綱頻率M?6.4，只有當(dāng)無量綱頻率大于此值時，脈動流才具有強化除垢效果。
　　根

5、據(jù)理論分析結(jié)果，建立由污垢測試平臺和測量采集系統(tǒng)組成的污垢實驗系統(tǒng)，基于污垢熱阻法實驗測試了污垢的生長特性，對比分析脈動流對光管內(nèi)污垢生長特性的影響。脈動流具有阻垢作用，頻率為2Hz的脈動流作用下的污垢的漸進污垢熱阻值比穩(wěn)態(tài)流下的漸進污垢熱阻值減小25％，而且，隨著脈動流頻率的增加，污垢生長的誘導(dǎo)期延長，漸進污垢熱阻值也隨之減小。數(shù)值模擬了在脈動流作用下，換熱管內(nèi)的流場特征，分析了脈動流阻垢機理，脈動流引起換熱壁面的最大剪切力比穩(wěn)態(tài)流時

6、大，剪切力的增大促進了污垢的剝蝕，減緩了污垢生長速度，降低了漸近污垢熱阻值，而且脈動流頻率越大，阻垢效果越明顯。
　　根據(jù)換熱管脈動流繞流特征，建立方形截面換熱管外脈動流流動與傳熱的計算模型，數(shù)值模擬了Re=100時，換熱管外脈動流的流動與傳熱性能及強化傳熱機理，得到脈動流是一種有效的主動控制尾渦結(jié)構(gòu)方法。當(dāng)脈動流繞過方形截面換熱管時，發(fā)生鎖定現(xiàn)象，鎖定頻率的范圍隨脈動流振幅逐漸增大。當(dāng)脈動流頻率等于系統(tǒng)固有頻率或2倍系統(tǒng)固有頻率

7、時候，傳熱效果得到顯著增強，傳熱性能最大可提高16%。討論了脈動流引起的換熱管下游尾渦結(jié)構(gòu)的變化對傳熱性能的影響，尾渦的脫離頻率和回流區(qū)長度直接決定了傳熱性能。
　　最后，建立了流體誘導(dǎo)振動圓形換熱管流動與傳熱數(shù)學(xué)模型，采用CFD和Newmark-β方法耦合求解了低雷諾數(shù)下不同質(zhì)量比的圓形換熱管渦激振動規(guī)律，分析得到自由渦激振動下?lián)Q熱管外部的對流傳熱性能。結(jié)果表明隨著質(zhì)量比的降低，鎖定區(qū)間雷諾數(shù)范圍增大，且進入鎖定區(qū)間的雷諾數(shù)降低