水平環(huán)縫內具有密度極值流體的自然對流換熱研究中文摘要

以水平環(huán)縫內具有密度極值流體的自然對流換熱問題為對象，采取實驗觀測和數(shù)值模擬相結合的方法研究其傳熱特性及其強化、流動結構型式及其演變過程等。首先，通過系統(tǒng)的實驗研究，獲取各種條件下的總體傳熱性能數(shù)據(jù)，整理得到傳熱關聯(lián)式；然后，通過可視化實驗，觀測流場結構、流動的穩(wěn)定性和流型演變過程，分析傳熱性能與流型之間的關系，探討強化傳熱的有效途徑；最后，以實驗觀測為基礎，建立合理的物理數(shù)學模型，并進行直接數(shù)值模擬，確定流動失穩(wěn)的臨界條件，獲取流動失穩(wěn)后各種可能的流動結構及傳熱特性，借助于POD (Proper orthogonal decomposition)技術探討流動失穩(wěn)的物理機制。本研究對于豐富和發(fā)展具有密度極值流體的自然對流換熱理論具有重要理論意義和科學價值，并可望在探索具有密度極值流體的自然對流失穩(wěn)機制方面獲得創(chuàng)新性的理論成果。

本項目以水平環(huán)縫內具有密度極值流體的自然對流傳熱問題為研究對象，采取實驗觀測和數(shù)值模擬相結合的方法研究其傳熱特性及其強化、流動結構型式及其演變過程等，得到了各種條件下的傳熱關聯(lián)式，揭示了流型演變與傳熱特性之間的關系。所得到的主要結論如下：（1）在同心水平圓形環(huán)縫內，在任何密度倒置參數(shù)下流場和溫度場都是關于垂直軸對稱的，流型主要取決于密度倒置參數(shù)和Rayleigh（Ra）數(shù)的大小。當Ra數(shù)增大到某一值時，在環(huán)縫上部或下部將會出現(xiàn)Bénard流胞，這種二次流胞的出現(xiàn)應該歸因于逆向密度梯度層內的Rayleigh-Bénard不穩(wěn)定性。當Ra數(shù)更進一步增大時，流動會轉化為振蕩對流，流場和溫度場不再對稱。內壁平均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時最小。（2）在垂直偏心環(huán)縫內，流型特征與同心環(huán)縫類似，但Bénard流胞的數(shù)量會發(fā)生變化；在水平偏心環(huán)縫內，流型不再對稱，且隨著偏心距的增加，Bénard流胞出現(xiàn)的臨界Ra數(shù)減小。當流動轉化為振蕩流動時，失穩(wěn)機理與同心環(huán)縫相同。當Ra數(shù)較小時，隨著偏心距的增加，流動被強化，內壁平均Nu數(shù)增加，當Ra數(shù)較大時，流動失穩(wěn)，偏心距對平均Nu數(shù)影響很小。（3）在橢圓環(huán)縫內，流場與溫度場會受到流道徑向比和橢圓比的影響，總的傳熱性能會隨著流道徑向比的減小和橢圓比的增加而增強。橢圓環(huán)縫繞垂線的偏轉會使流型更復雜，此時，流型和局部Nu數(shù)的對稱性消失，但是，內壁平均Nu數(shù)幾乎不變。（4）通過對徑深比為2的圓柱形腔內具有密度極值的冷水的自然對流的數(shù)值模擬結果表明，密度倒置現(xiàn)象對流動轉變的臨界Ra數(shù)和可能存在的流型具有重要的影響。當密度倒置參數(shù)為0.3時，在計算范圍內發(fā)現(xiàn)了8種可能存在的流型，而且，在某些Ra數(shù)范圍內，可能同時存在幾種流型。（5）當在水平環(huán)縫內壁設置三維擴展肋片時，內壁平均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)對其影響很小。

環(huán)縫式引射器的基本結構由接受室、混合室、擴散室、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計工況下運行，對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、進口靜壓）隨其他運行參數(shù)變化而變化的關系特性，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，單位質量的工作流體通過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量流量與工作流體的質量流量的比值。

自然對流換熱分為大空間自然對流換熱和有限空間自然對流換熱兩類。流體在大空間作自然對流時，流體的冷卻過程與加熱過程互不影響。這類問題比較簡單，但總結出的關聯(lián)式卻具有很大的實用意義，它可以應用到比形式上的大空間更廣的范圍。因為在許多實際問題中，雖然空間不大，但熱邊界層并不相互于擾，因而可以應用大空間自然對流換熱的規(guī)律計算。換句話說，就是可以把它當作大空間問題來處理。

所謂大空間，實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限大。

伽馬流體密度計測井利用流體對伽馬射線的吸收特性測定流體密度，測井資料的應用與壓差密度計相同。伽馬流體密度計的測井原理與地層巖石密度測井儀類似。當窄束伽馬射線穿過物質時，與物質發(fā)生光電效應、康普頓效應和電子對效應，射線強度衰減。

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