列管式換熱器流體誘導(dǎo)振動(dòng)強(qiáng)化傳熱機(jī)理研究

流體誘導(dǎo)振動(dòng)作為一種強(qiáng)化傳熱技術(shù)已引起廣泛關(guān)注,但誘導(dǎo)振動(dòng)對(duì)換熱設(shè)備傳熱表面流場和積垢的作用機(jī)理迄今還不清晰。本項(xiàng)目采用理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，對(duì)流體誘導(dǎo)振動(dòng)強(qiáng)化傳熱機(jī)理開展研究。1）本課題采用污垢熱阻法實(shí)驗(yàn)測量和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究壁面流場結(jié)構(gòu)對(duì)傳熱管壁面污垢生長規(guī)律的影響，研究結(jié)果表明脈動(dòng)流引起換熱管壁面剪切應(yīng)力的變化，加速污垢的剝離，具有顯著的抑垢效果，隨著頻率的增大，阻垢效果增強(qiáng)。污垢熱阻最大可降低25%，間接產(chǎn)生強(qiáng)化傳熱效果。2）通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究等方法進(jìn)行脈動(dòng)流和強(qiáng)化換熱管共同作用下的強(qiáng)化傳熱特性研究，脈動(dòng)流引起傳熱管內(nèi)凸或外凹部位明顯有漩渦的生成，加劇了冷熱流體沿徑向的混合，產(chǎn)生強(qiáng)化傳熱效果。且強(qiáng)化傳熱效果與脈動(dòng)流參數(shù)及換熱管結(jié)構(gòu)型式密切相關(guān)，波節(jié)管強(qiáng)化傳熱系數(shù)最大可提高83%，橫紋管最大為80%，螺旋槽管為61%。3）揭示壁面振動(dòng)與流場耦合條件下的強(qiáng)化傳熱機(jī)理。壁面振動(dòng)產(chǎn)生二次流，改善了換熱管周圍流體速度場與溫度場的協(xié)同關(guān)系，產(chǎn)生強(qiáng)化傳熱效果；4)數(shù)值模擬脈動(dòng)流繞過方柱引起的流場變化和強(qiáng)化傳熱特性。脈動(dòng)流繞過方柱后產(chǎn)生鎖定現(xiàn)象，引起阻力系數(shù)相較穩(wěn)定流工況提高50%，強(qiáng)化傳熱性能最大增加15%。5）采用數(shù)值模擬方法研究折流板開孔對(duì)管殼式換熱器殼程流動(dòng)與傳熱性能的影響。折流板開孔后能夠形成垂直于折流板的射流，對(duì)流動(dòng)死區(qū)有明顯改善作用。折流板開孔后，殼程壓降有較大的降幅，同時(shí)傳熱系數(shù)也有降低，但降低幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于降低幅度。在等換熱面積和等壓降情況下，折流板開孔冷卻器傳熱系數(shù)可以提高22%。6）研制出一套利用脈動(dòng)流強(qiáng)化傳熱技術(shù)的強(qiáng)化傳熱、阻垢和自動(dòng)節(jié)水裝置。本項(xiàng)目研究為流體誘導(dǎo)振動(dòng)強(qiáng)化傳熱技術(shù)的深入發(fā)展和應(yīng)用提供有力支持。 2100433B

流體誘導(dǎo)振動(dòng)作為一種強(qiáng)化傳熱技術(shù)已引起廣泛關(guān)注，但誘導(dǎo)振動(dòng)對(duì)換熱設(shè)備傳熱表面流場和積垢的作用機(jī)理迄今還不清晰。本項(xiàng)目擬用理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，對(duì)流體誘導(dǎo)振動(dòng)強(qiáng)化傳熱機(jī)理開展研究。主要內(nèi)容有：1)流場與換熱管振動(dòng)的耦合機(jī)理。采用有限體積法和雙向耦合模型，應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)軟件計(jì)算換熱器流場；應(yīng)用粒子動(dòng)態(tài)分析儀和振動(dòng)分析儀對(duì)流場及換熱管振動(dòng)進(jìn)行測試，綜合分析換熱管振動(dòng)與表面流場的耦合機(jī)理；2）傳熱管壁面流場結(jié)構(gòu)對(duì)積垢過程的影響規(guī)律。在流場分析與實(shí)驗(yàn)測試基礎(chǔ)上，研究流場中懸浮物濃度分布及傳質(zhì)特性，結(jié)合懸浮物沉積準(zhǔn)則方程式，尋求抑制積垢形成的流場結(jié)構(gòu)，并建立污垢凈生長率的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式；3)流體誘導(dǎo)振動(dòng)傳熱強(qiáng)化機(jī)理。在分析計(jì)算換熱器流場和溫度場計(jì)算基礎(chǔ)上，對(duì)照實(shí)驗(yàn)結(jié)果，研究流體誘導(dǎo)振動(dòng)強(qiáng)化傳熱的機(jī)理。

時(shí)均流誘導(dǎo)熱聲振蕩是一種新型的能量轉(zhuǎn)換方法，基于其原理可建成完全沒有運(yùn)動(dòng)部件的、以風(fēng)能驅(qū)動(dòng)的熱聲制冷機(jī)。本項(xiàng)目擬從理論、數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)三方面對(duì)其機(jī)理進(jìn)行研究：建立時(shí)均流剪切邊界層非穩(wěn)定性問題的多維度、可壓縮流、非穩(wěn)態(tài)物理模型，確定聲場工作頻率和強(qiáng)度與漩渦形成周期、數(shù)量和運(yùn)動(dòng)速度的定量關(guān)系。在此基礎(chǔ)上引入非線性熱聲學(xué)理論，首次建立時(shí)均流誘導(dǎo)熱聲振蕩的完整物理模型。基于DES算法，利用CFD方法對(duì)物理模型數(shù)值求解，獲得壓力場、速度場、溫度場和密度場的數(shù)值解，實(shí)現(xiàn)完整物理場分析；研制一臺(tái)時(shí)均流驅(qū)動(dòng)的高效熱聲制冷機(jī)，在熱聲板疊上產(chǎn)生不小于150K的可用溫差，對(duì)時(shí)均、交變流場中的壓力（波動(dòng)）、速度（波動(dòng)）、溫度（分布）進(jìn)行精確測量，通過綜合分析發(fā)現(xiàn)其中蘊(yùn)含的規(guī)律。最后，通過理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，探明時(shí)均流、誘導(dǎo)聲場、熱聲效應(yīng)之間的耦合作用機(jī)理，為實(shí)現(xiàn)以自然風(fēng)等時(shí)均流驅(qū)動(dòng)的熱聲制冷機(jī)奠定理論基礎(chǔ)。