脈動(dòng)流與壁面振動(dòng)強(qiáng)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(qiáng)化傳熱和降低污垢熱阻來實(shí)現(xiàn)。脈動(dòng)流作為一種改變流場(chǎng)的有效手段，對(duì)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(shí)驗(yàn)研究表明，脈動(dòng)流能顯著降低介質(zhì)流通內(nèi)壁污垢熱阻，但其影響機(jī)理缺乏相關(guān)的理論研究。而對(duì)于換熱元件外部繞流，流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生速度脈動(dòng)和壓力脈動(dòng)，從而引起換熱元件振動(dòng)和其下游尾渦結(jié)構(gòu)的變化，進(jìn)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(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬的方法對(duì)平板通道內(nèi)和圓管內(nèi)層流脈動(dòng)流的強(qiáng)化除垢特性的關(guān)鍵流動(dòng)參數(shù)、脈動(dòng)流繞流的強(qiáng)化傳熱機(jī)理和換熱元件在自由渦激振動(dòng)下的傳熱特性及傳熱機(jī)理進(jìn)行了研究，闡釋脈動(dòng)流、壁面振動(dòng)等主動(dòng)強(qiáng)化傳熱技術(shù)的強(qiáng)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?jī)?nèi)容如下。
　　本文首先建立了平板通道內(nèi)脈動(dòng)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(dòng)流的速度場(chǎng)和壁面剪切應(yīng)力解析解，通過對(duì)比分析脈動(dòng)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(dòng)流參數(shù)（頻率、振幅）對(duì)脈動(dòng)流強(qiáng)化除垢特性的影響。得到低頻脈動(dòng)流與穩(wěn)態(tài)流的壁面剪切應(yīng)力比值隨脈動(dòng)流振幅線性增長(zhǎng)，且存在臨界振幅π，當(dāng)振幅大于π時(shí)，壁面剪切應(yīng)力比值大于1，產(chǎn)生強(qiáng)化除垢效果。理論分析了脈動(dòng)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(dòng)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(dòng)流的強(qiáng)化除垢特性及最優(yōu)參數(shù)。當(dāng)脈動(dòng)流脈動(dòng)頻率為低頻時(shí)，壁面剪切應(yīng)力的比值隨著無量綱振幅線性增長(zhǎng)，只有當(dāng)無量振幅大于?/2，脈動(dòng)流才具有強(qiáng)化除垢效果；得到當(dāng)脈動(dòng)流的半周期流量恒定時(shí)，存在一個(gè)臨界無量綱頻率M?6.4，只有當(dāng)無量綱頻率大于此值時(shí)，脈動(dòng)流才具有強(qiáng)化除垢效果。
　　根

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

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

7、時(shí)候，傳熱效果得到顯著增強(qiáng)，傳熱性能最大可提高16%。討論了脈動(dòng)流引起的換熱管下游尾渦結(jié)構(gòu)的變化對(duì)傳熱性能的影響，尾渦的脫離頻率和回流區(qū)長(zhǎng)度直接決定了傳熱性能。
　　最后，建立了流體誘導(dǎo)振動(dòng)圓形換熱管流動(dòng)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(dòng)規(guī)律，分析得到自由渦激振動(dòng)下?lián)Q熱管外部的對(duì)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(jìn)入鎖定區(qū)間的雷諾數(shù)降低