列管式換熱器流體誘導(dǎo)振動強化傳熱機理研究結(jié)題摘要

流體誘導(dǎo)振動作為一種強化傳熱技術(shù)已引起廣泛關(guān)注,但誘導(dǎo)振動對換熱設(shè)備傳熱表面流場和積垢的作用機理迄今還不清晰。本項目采用理論分析、數(shù)值模擬和實驗研究相結(jié)合的方法，對流體誘導(dǎo)振動強化傳熱機理開展研究。1）本課題采用污垢熱阻法實驗測量和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究壁面流場結(jié)構(gòu)對傳熱管壁面污垢生長規(guī)律的影響，研究結(jié)果表明脈動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。污垢熱阻最大可降低25%，間接產(chǎn)生強化傳熱效果。2）通過數(shù)值模擬和實驗研究等方法進行脈動流和強化換熱管共同作用下的強化傳熱特性研究，脈動流引起傳熱管內(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)生強化傳熱效果。且強化傳熱效果與脈動流參數(shù)及換熱管結(jié)構(gòu)型式密切相關(guān)，波節(jié)管強化傳熱系數(shù)最大可提高83%，橫紋管最大為80%，螺旋槽管為61%。3）揭示壁面振動與流場耦合條件下的強化傳熱機理。壁面振動產(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)生強化傳熱效果；4)數(shù)值模擬脈動流繞過方柱引起的流場變化和強化傳熱特性。脈動流繞過方柱后產(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管殼式換熱器殼程流動與傳熱性能的影響。折流板開孔后能夠形成垂直于折流板的射流，對流動死區(qū)有明顯改善作用。折流板開孔后，殼程壓降有較大的降幅，同時傳熱系數(shù)也有降低，但降低幅度遠遠小于降低幅度。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流強化傳熱技術(shù)的強化傳熱、阻垢和自動節(jié)水裝置。本項目研究為流體誘導(dǎo)振動強化傳熱技術(shù)的深入發(fā)展和應(yīng)用提供有力支持。 2100433B

流體誘導(dǎo)振動作為一種強化傳熱技術(shù)已引起廣泛關(guān)注，但誘導(dǎo)振動對換熱設(shè)備傳熱表面流場和積垢的作用機理迄今還不清晰。本項目擬用理論分析、數(shù)值模擬和實驗研究相結(jié)合的方法，對流體誘導(dǎo)振動強化傳熱機理開展研究。主要內(nèi)容有：1)流場與換熱管振動的耦合機理。采用有限體積法和雙向耦合模型，應(yīng)用計算流體力學(xué)軟件計算換熱器流場；應(yīng)用粒子動態(tài)分析儀和振動分析儀對流場及換熱管振動進行測試，綜合分析換熱管振動與表面流場的耦合機理；2）傳熱管壁面流場結(jié)構(gòu)對積垢過程的影響規(guī)律。在流場分析與實驗測試基礎(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)驗關(guān)系式；3)流體誘導(dǎo)振動傳熱強化機理。在分析計算換熱器流場和溫度場計算基礎(chǔ)上，對照實驗結(jié)果，研究流體誘導(dǎo)振動強化傳熱的機理。

時均流誘導(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動部件的、以風(fēng)能驅(qū)動的熱聲制冷機。本項目擬從理論、數(shù)值計算和實驗三方面對其機理進行研究：建立時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度與漩渦形成周期、數(shù)量和運動速度的定量關(guān)系。在此基礎(chǔ)上引入非線性熱聲學(xué)理論，首次建立時均流誘導(dǎo)熱聲振蕩的完整物理模型?；贒ES算法，利用CFD方法對物理模型數(shù)值求解，獲得壓力場、速度場、溫度場和密度場的數(shù)值解，實現(xiàn)完整物理場分析；研制一臺時均流驅(qū)動的高效熱聲制冷機，在熱聲板疊上產(chǎn)生不小于150K的可用溫差，對時均、交變流場中的壓力（波動）、速度（波動）、溫度（分布）進行精確測量，通過綜合分析發(fā)現(xiàn)其中蘊含的規(guī)律。最后，通過理論和實驗相結(jié)合，探明時均流、誘導(dǎo)聲場、熱聲效應(yīng)之間的耦合作用機理，為實現(xiàn)以自然風(fēng)等時均流驅(qū)動的熱聲制冷機奠定理論基礎(chǔ)。