水平環(huán)縫內(nèi)具有密度極值流體的自然對(duì)流換熱研究

本項(xiàng)目以水平環(huán)縫內(nèi)具有密度極值流體的自然對(duì)流傳熱問(wèn)題為研究對(duì)象，采取實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究其傳熱特性及其強(qiáng)化、流動(dòng)結(jié)構(gòu)型式及其演變過(guò)程等，得到了各種條件下的傳熱關(guān)聯(lián)式，揭示了流型演變與傳熱特性之間的關(guān)系。所得到的主要結(jié)論如下：（1）在同心水平圓形環(huán)縫內(nèi)，在任何密度倒置參數(shù)下流場(chǎng)和溫度場(chǎng)都是關(guān)于垂直軸對(duì)稱的，流型主要取決于密度倒置參數(shù)和Rayleigh（Ra）數(shù)的大小。當(dāng)Ra數(shù)增大到某一值時(shí)，在環(huán)縫上部或下部將會(huì)出現(xiàn)Bénard流胞，這種二次流胞的出現(xiàn)應(yīng)該歸因于逆向密度梯度層內(nèi)的Rayleigh-Bénard不穩(wěn)定性。當(dāng)Ra數(shù)更進(jìn)一步增大時(shí)，流動(dòng)會(huì)轉(zhuǎn)化為振蕩對(duì)流，流場(chǎng)和溫度場(chǎng)不再對(duì)稱。內(nèi)壁平均Nusselt（Nu）數(shù)隨Ra數(shù)和半徑比的增加而增大，隨密度倒置參數(shù)的增加而先減小、再增大，在密度倒置參數(shù)約為0.5時(shí)最小。（2）在垂直偏心環(huán)縫內(nèi)，流型特征與同心環(huán)縫類似，但Bénard流胞的數(shù)量會(huì)發(fā)生變化；在水平偏心環(huán)縫內(nèi)，流型不再對(duì)稱，且隨著偏心距的增加，Bénard流胞出現(xiàn)的臨界Ra數(shù)減小。當(dāng)流動(dòng)轉(zhuǎn)化為振蕩流動(dòng)時(shí)，失穩(wěn)機(jī)理與同心環(huán)縫相同。當(dāng)Ra數(shù)較小時(shí)，隨著偏心距的增加，流動(dòng)被強(qiáng)化，內(nèi)壁平均Nu數(shù)增加，當(dāng)Ra數(shù)較大時(shí)，流動(dòng)失穩(wěn)，偏心距對(duì)平均Nu數(shù)影響很小。（3）在橢圓環(huán)縫內(nèi)，流場(chǎng)與溫度場(chǎng)會(huì)受到流道徑向比和橢圓比的影響，總的傳熱性能會(huì)隨著流道徑向比的減小和橢圓比的增加而增強(qiáng)。橢圓環(huán)縫繞垂線的偏轉(zhuǎn)會(huì)使流型更復(fù)雜，此時(shí)，流型和局部Nu數(shù)的對(duì)稱性消失，但是，內(nèi)壁平均Nu數(shù)幾乎不變。（4）通過(guò)對(duì)徑深比為2的圓柱形腔內(nèi)具有密度極值的冷水的自然對(duì)流的數(shù)值模擬結(jié)果表明，密度倒置現(xiàn)象對(duì)流動(dòng)轉(zhuǎn)變的臨界Ra數(shù)和可能存在的流型具有重要的影響。當(dāng)密度倒置參數(shù)為0.3時(shí)，在計(jì)算范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)了8種可能存在的流型，而且，在某些Ra數(shù)范圍內(nèi)，可能同時(shí)存在幾種流型。（5）當(dāng)在水平環(huán)縫內(nèi)壁設(shè)置三維擴(kuò)展肋片時(shí)，內(nèi)壁平均Nu數(shù)隨著肋片高度和肋片縱向間距的增加而增大，隨著肋片寬度的增加而減小，而每周分布肋片數(shù)對(duì)其影響很小。

以水平環(huán)縫內(nèi)具有密度極值流體的自然對(duì)流換熱問(wèn)題為對(duì)象，采取實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究其傳熱特性及其強(qiáng)化、流動(dòng)結(jié)構(gòu)型式及其演變過(guò)程等。首先，通過(guò)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，獲取各種條件下的總體傳熱性能數(shù)據(jù)，整理得到傳熱關(guān)聯(lián)式；然后，通過(guò)可視化實(shí)驗(yàn)，觀測(cè)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、流動(dòng)的穩(wěn)定性和流型演變過(guò)程，分析傳熱性能與流型之間的關(guān)系，探討強(qiáng)化傳熱的有效途徑；最后，以實(shí)驗(yàn)觀測(cè)為基礎(chǔ)，建立合理的物理數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行直接數(shù)值模擬，確定流動(dòng)失穩(wěn)的臨界條件，獲取流動(dòng)失穩(wěn)后各種可能的流動(dòng)結(jié)構(gòu)及傳熱特性，借助于POD (Proper orthogonal decomposition)技術(shù)探討流動(dòng)失穩(wěn)的物理機(jī)制。本研究對(duì)于豐富和發(fā)展具有密度極值流體的自然對(duì)流換熱理論具有重要理論意義和科學(xué)價(jià)值，并可望在探索具有密度極值流體的自然對(duì)流失穩(wěn)機(jī)制方面獲得創(chuàng)新性的理論成果。

環(huán)縫式引射器的基本結(jié)構(gòu)由接受室、混合室、擴(kuò)散室、環(huán)形縫隙和倒角5 部分組成。

環(huán)縫式引射器不可能始終在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行，對(duì)于給定幾何尺寸的環(huán)縫式引射器，其引射系數(shù)或生產(chǎn)率（如引射氣體流量、進(jìn)口靜壓）隨其他運(yùn)行參數(shù)變化而變化的關(guān)系特性，稱為環(huán)縫式引射器變工況特性。其中，引射系數(shù)指的是在一定工況下，單位質(zhì)量的工作流體通過(guò)引射器所能抽吸的引射流體的量，在數(shù)值上等于引射流體的質(zhì)量流量與工作流體的質(zhì)量流量的比值。

自然對(duì)流換熱分為大空間自然對(duì)流換熱和有限空間自然對(duì)流換熱兩類。流體在大空間作自然對(duì)流時(shí)，流體的冷卻過(guò)程與加熱過(guò)程互不影響。這類問(wèn)題比較簡(jiǎn)單，但總結(jié)出的關(guān)聯(lián)式卻具有很大的實(shí)用意義，它可以應(yīng)用到比形式上的大空間更廣的范圍。因?yàn)樵谠S多實(shí)際問(wèn)題中，雖然空間不大，但熱邊界層并不相互于擾，因而可以應(yīng)用大空間自然對(duì)流換熱的規(guī)律計(jì)算。換句話說(shuō)，就是可以把它當(dāng)作大空間問(wèn)題來(lái)處理。

所謂大空間，實(shí)際上只要邊界層不受干擾就可以適用，不必拘泥于幾何形式上的很大或無(wú)限大。

伽馬流體密度計(jì)測(cè)井利用流體對(duì)伽馬射線的吸收特性測(cè)定流體密度，測(cè)井資料的應(yīng)用與壓差密度計(jì)相同。伽馬流體密度計(jì)的測(cè)井原理與地層巖石密度測(cè)井儀類似。當(dāng)窄束伽馬射線穿過(guò)物質(zhì)時(shí)，與物質(zhì)發(fā)生光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)，射線強(qiáng)度衰減。

伽馬密度計(jì)下井后由扶正器居中測(cè)量。測(cè)量時(shí)應(yīng)注意限制測(cè)井速度，以避免時(shí)間常數(shù)τ的影響。由于輕質(zhì)相流體趨向于在管道中央流動(dòng)，測(cè)井值可能與管內(nèi)實(shí)際存在的流體平均密度有一定差異。因此，讀測(cè)井值時(shí)，一方面要注意消除放射性統(tǒng)計(jì)誤差影響，另外最好能選取有代表性的流動(dòng)截面讀數(shù) 。