振動(dòng)圓管外強(qiáng)化傳熱機(jī)理及污垢生長(zhǎng)特性研究.pdf

1、振動(dòng)強(qiáng)化傳熱因其良好的效果曾在20世紀(jì)70年代引起關(guān)注，但因難以在換熱器內(nèi)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)而停止研究。隨著技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)方法的拓展，這一課題也在逐漸興起。對(duì)振動(dòng)表面上傳熱機(jī)理的研究具有理論指導(dǎo)意義與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。在強(qiáng)化傳熱的同時(shí)，不應(yīng)忽略污垢阻礙強(qiáng)化傳熱的過(guò)程，因此有必要對(duì)振動(dòng)表面的污垢生長(zhǎng)進(jìn)行研究。場(chǎng)協(xié)同原理作為研究壁面對(duì)流換熱的工具，也應(yīng)該在實(shí)踐中不斷得到擴(kuò)充、檢驗(yàn)與運(yùn)用。本文對(duì)這三個(gè)方面中的問(wèn)題進(jìn)行了分析和研究。 通過(guò)

2、對(duì)場(chǎng)協(xié)同原理的分析，提出了換熱面上場(chǎng)協(xié)同分析中算術(shù)平均協(xié)同角、積分平均協(xié)同角及協(xié)同匹配系數(shù)的定義方法。用算術(shù)平均協(xié)同角衡量面上溫度梯度場(chǎng)與速度場(chǎng)夾角余弦平均值，用積分平均協(xié)同角衡量帶有速度權(quán)的換熱面上溫度梯度場(chǎng)與速度場(chǎng)夾角余弦平均值。用協(xié)同匹配系數(shù)K反映整個(gè)換熱面上場(chǎng)協(xié)同的匹配程度。定義了無(wú)量綱速度與無(wú)量綱協(xié)同角余弦，并根據(jù)無(wú)量綱速度與無(wú)量綱余弦值的c-V<,L>圖表示面上各處的場(chǎng)協(xié)同匹配性能分布，根據(jù)K值分界線與匹配分界線分析面上場(chǎng)協(xié)

3、同匹配性能。 對(duì)振動(dòng)圓管表面流場(chǎng)與溫度梯度場(chǎng)間的協(xié)同角、速度以及協(xié)同匹配性能進(jìn)行研究。在每一時(shí)相位處，圓面上的場(chǎng)協(xié)同性能分布具有明顯的規(guī)律性，在面相位0°與180°附近協(xié)同性能最好，并向兩側(cè)逐漸遞減。隨著時(shí)相位移向平衡位置，圓面上協(xié)同性能趨好的區(qū)域逐漸變大。在θ=0°附近，α=0°處流體的流動(dòng)速度比α=90°附近流動(dòng)速度低，圓面上的速度從θ=0°到θ=90°的時(shí)間內(nèi)，圓面上各處的流動(dòng)速度逐漸增大。在時(shí)相位40°-60°附近面上速

4、度基本均勻，之后從α=0°到α=90°區(qū)域內(nèi)速度逐漸減小，此時(shí)圓面上的積分協(xié)同角面均值小于算術(shù)協(xié)同角面均值，圓面上的場(chǎng)協(xié)同性能與匹配性能均趨好，直到圓面上的積分協(xié)同角面均值大于算術(shù)協(xié)同角面均值后，圓面上的場(chǎng)協(xié)同性能與匹配性能趨差，并在時(shí)相位180°上基本恢復(fù)到θ=0°時(shí)的狀態(tài)。 對(duì)面上各處流動(dòng)的協(xié)同角時(shí)均值，速度時(shí)均值與對(duì)流換熱系數(shù)在圓面上的分布進(jìn)行了分析。換熱面上的協(xié)同角余弦時(shí)均值與速度時(shí)均值決定了面上對(duì)流換熱系數(shù)的分布，在面

5、相位0°與180°附近的對(duì)流換熱系數(shù)最大，然后向兩側(cè)逐漸遞減。協(xié)同角余弦的面均值，速度面均值的乘積決定了對(duì)流換熱系數(shù)面均值的變化趨勢(shì)。在時(shí)相位90°附近的對(duì)流換熱系數(shù)最大，然后向兩側(cè)遞減。對(duì)振動(dòng)圓管外總的場(chǎng)協(xié)同性能進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，在本文計(jì)算范圍內(nèi)，算術(shù)平均協(xié)同角在47°-66°之間，換熱面上總的場(chǎng)協(xié)同性能很好。面上的總積分平均協(xié)同角小于總算術(shù)平均協(xié)同角，說(shuō)明振動(dòng)能夠提高換熱面上的協(xié)同匹配性能。在邊界層外場(chǎng)協(xié)同性能改善的同時(shí)，振動(dòng)頻率的增加對(duì)

6、改善邊界層厚度有明顯的作用。 對(duì)振動(dòng)圓管外的流體特性進(jìn)行了分析，指出抑制貼壁流路，提高場(chǎng)協(xié)同性能的方法，將圓管上下部添加肋片增加貼壁流動(dòng)的流阻，從而降低其流速，改變部分流體流動(dòng)方向與壁面的夾角，改變流動(dòng)特性使場(chǎng)協(xié)同性能提高。對(duì)改進(jìn)方法進(jìn)行數(shù)值驗(yàn)證，結(jié)果證明肋片的加入提高了圓管外流動(dòng)的夾角余弦平均值與速度平均值，從而提高了管外對(duì)流換熱系數(shù)。肋片高度與肋片上方回流區(qū)高度的總和是肋能夠影響管外場(chǎng)協(xié)同性能的有效高度。 建立振動(dòng)強(qiáng)

7、化傳熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)量了振動(dòng)圓管外的對(duì)流換熱隨振動(dòng)參數(shù)的變化，在相同振幅下，對(duì)流換熱隨頻率的增加而增強(qiáng)，并在某一轉(zhuǎn)折點(diǎn)處出現(xiàn)對(duì)流換熱系數(shù)迅速增大的現(xiàn)象，且隨著振幅的降低，出現(xiàn)這一轉(zhuǎn)折點(diǎn)的頻率會(huì)逐漸升高。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)振幅對(duì)強(qiáng)化傳熱也起到一定的改善作用。擬合了實(shí)驗(yàn)條件下振動(dòng)圓管外對(duì)流換熱與相關(guān)參數(shù)的公式，并得出相同振動(dòng)Re<,y>數(shù)下高頻的振動(dòng)更有利于強(qiáng)化傳熱的結(jié)論。 實(shí)驗(yàn)研究了振動(dòng)圓管外的污垢生長(zhǎng)過(guò)程，發(fā)現(xiàn)在相同熱流密度下，振動(dòng)能夠大大降低

8、圓管表面污垢熱阻漸近值，污垢熱阻漸近值降低的程度與振動(dòng)Re<,v>數(shù)呈負(fù)指數(shù)關(guān)系。分析指出振動(dòng)圓管外剪應(yīng)力增加、污垢結(jié)構(gòu)不同、硬度不均勻等是形成污垢有序凹凸的主要原因。 通過(guò)對(duì)漸近線型污垢生長(zhǎng)過(guò)程的分析，提出穩(wěn)態(tài)熱阻法測(cè)量污垢熱阻時(shí)間常數(shù)和漸近值的改進(jìn)方法，指出污垢時(shí)間常數(shù)反比于兩次測(cè)量得到的污垢生長(zhǎng)速率比值的對(duì)數(shù)，正比與兩次測(cè)量時(shí)間的間隔。污垢熱阻漸近值可以通過(guò)第二次測(cè)量的污垢熱阻，污垢生長(zhǎng)速度以及首次測(cè)量的污垢生長(zhǎng)速度表示。