內(nèi)插梯形擾流片矩形通道內(nèi)渦流和傳熱特性

針對光滑窄矩形通道內(nèi)簡諧脈動流層流-紊流(re范圍為750~4450)過渡特性進(jìn)行實驗研究。研究發(fā)現(xiàn),脈動流加速階段,摩阻系數(shù)大于穩(wěn)態(tài)摩阻系數(shù),而在減速階段摩阻系數(shù)小于穩(wěn)態(tài)摩阻系數(shù)。womersley數(shù)對層流-紊流臨界re有顯著影響,在脈動流加速階段,臨界re隨womersley數(shù)的增大而減小,而在脈動減速部分則相反。通過實驗擬合出一適用于預(yù)測臨界轉(zhuǎn)捩點的經(jīng)驗公式,且與穩(wěn)態(tài)有著良好的銜接。

針對簡諧脈動層流條件下矩形通道內(nèi)的阻力特性進(jìn)行理論和實驗研究。基于脈動條件下矩形通道內(nèi)層流流動的數(shù)學(xué)模型,分析了脈動周期、脈動振幅等因素對摩阻常數(shù)的影響,并進(jìn)行實驗驗證。結(jié)果表明:脈動層流摩阻常數(shù)與脈動周期、脈動振幅、通道高寬比和流體性質(zhì)有關(guān);層流摩阻常數(shù)理論值與實驗值相吻合,脈動周期越小或相對振幅越大,層流摩阻常數(shù)的峰值越大、谷值越小,層流摩阻常數(shù)脈動的幅度越大。

對水平放置矩形截面螺旋通道內(nèi)彈狀流的流動特性進(jìn)行了實驗研究。通過實驗獲得了不同周角下的氣彈演變過程和局部流動特征,結(jié)果表明,其流動特性會隨著螺旋周角位置的變化而變化。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),同一工況下,不同轉(zhuǎn)角氣彈的運動速度、頻率和長度分布不盡相同。重力和離心力的相對大小決定著內(nèi)外壁面液膜的厚度,給出了同一條件下,不同時刻的液膜厚度的演變過程。最后對下降液膜的運動速度展開了分析研究,在螺旋上升過程中,液膜下降速度逐漸減小,在螺旋下降段,液膜速度明顯增大。

以垂直向上窄縫矩形通道內(nèi)去離子水為流動介質(zhì),對單相等溫流動及恒熱流密度條件下的單相傳熱進(jìn)行了實驗研究。結(jié)果表明,窄縫矩形通道內(nèi)的單相等溫流動特性及單相傳熱特性并未偏離常規(guī)尺度通道內(nèi)的相關(guān)規(guī)律,采用經(jīng)典理論解或關(guān)系式能獲得較好的預(yù)測結(jié)果。

對耦合了熱輻射的垂直矩形通道內(nèi)的混合對流情況進(jìn)行了實驗研究和數(shù)值模擬分析。研究表明:空氣在通道內(nèi)向上流動時,隨著浮升力作用的增大,對流換熱能力表現(xiàn)出先減小后增強(qiáng)的趨勢;熱輻射在換熱過程中起著重要的作用,并隨著對流換熱能力的減弱而增強(qiáng)。數(shù)值模擬在浮升力影響較小時可以給出較好的結(jié)果,當(dāng)浮升力影響比較大時,數(shù)值模擬計算的結(jié)果與實驗有較大的偏差。

采用聲學(xué)多普勒流速儀adv,對矩形水槽中梯形邊墩周圍水流紊動特性進(jìn)行系統(tǒng)的試驗研究,并對紊動強(qiáng)度3個方向分量進(jìn)行了較深入的分析。根據(jù)試驗數(shù)據(jù),通過對柱體周圍不同垂直面上紊動強(qiáng)度的分析對比,得出行進(jìn)水流受到邊墩的影響程度,在柱體上游,受到柱體擠壓,紊動強(qiáng)烈;在柱體下游,水流從柱體分離,形成逆向回流,紊動強(qiáng)度增大,垂向紊動強(qiáng)度很小,可以忽略。實驗可為研究水流紊動結(jié)構(gòu)及橋梁梯形邊墩的紊動特性提供驗證資料。

文章采用激光影像放大系統(tǒng),對垂直放置的100μm×800μm矩形微通道內(nèi)氣液二相流流型進(jìn)行了實驗觀測和研究,實驗物系為乙醇-空氣體系。根據(jù)實驗結(jié)果繪制出流型轉(zhuǎn)換圖,并進(jìn)行了分析和討論。實驗觀測到彈狀流、液環(huán)-彈狀流、液環(huán)流、液環(huán)-分層流、分層流和波狀流,而未觀察到氣泡直徑小于微通道內(nèi)徑的氣泡流,其中穩(wěn)定的分層流文獻(xiàn)中尚未見報道。

采用在管道增加梯形開口節(jié)流片的方式,使高壓水流形成螺旋流,達(dá)到消能減壓的目的。研究了梯形開口節(jié)流片消能裝置沿程水頭變化、節(jié)流片在不同轉(zhuǎn)角和雷諾數(shù)下的消能效率,結(jié)果表明:梯形開口節(jié)流片消能裝置后壓力明顯降低,該部位為消能的主力區(qū)且有較好的消能效果;梯形開口節(jié)流片在相同開口情況下,消能裝置的消能效率隨節(jié)流片之間扭轉(zhuǎn)角度的增大而增大,隨主管道水流雷諾數(shù)的增大而增大;利用梯形開口節(jié)流片消能裝置能有效消除管道中的多余能量,通過調(diào)節(jié)節(jié)流片之間的扭轉(zhuǎn)角度來控制消能裝置的消能效率是可行的。

采用ansyscfx商用軟件對帶肋矩形直通道內(nèi)的冷卻空氣換熱特性進(jìn)行了數(shù)值計算,并與文獻(xiàn)[4]的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比,分析了雷諾數(shù)re和肋片角度對努塞爾特數(shù)nu的影響。結(jié)果表明:nu數(shù)計算平均值與實驗值的變化趨勢一致,但計算結(jié)果大于實驗值;由于肋片的擾流作用,在兩個肋片之間的壁面區(qū)域產(chǎn)生了兩個旋渦,強(qiáng)化了冷卻空氣與固體壁面的換熱;隨著re數(shù)的增大,nu數(shù)增大,平均摩擦阻力系數(shù)也增大;當(dāng)肋片角度在45°～60°之間時,冷卻通道的強(qiáng)化對流換熱效果最好。

以氮氣和水為實驗介質(zhì),利用高速攝像機(jī)對水力直徑為1.15mm的矩形小通道內(nèi)的氣液兩相垂直向上流動特性進(jìn)行可視化研究,依次得到泡狀流、彈狀流、攪拌流和環(huán)狀流4種典型的流型圖像。針對小通道內(nèi)氣泡之間相互無遮掩性的優(yōu)勢,運用圖像處理技術(shù)對流型圖像分形增強(qiáng),檢測氣泡邊緣并填充后根據(jù)提出的氣相體積模型,得到兩相流動的含氣率。結(jié)合實驗數(shù)據(jù),根據(jù)分液相reynolds數(shù)把流動分為層流區(qū)、過渡區(qū)和紊流區(qū),并對chisholm關(guān)系式進(jìn)行修正,結(jié)果表明:修正后的壓降模型能較好地預(yù)測本文實驗結(jié)果。

通過建立數(shù)學(xué)模型,對大寬高比矩形通道單相低頻脈動層流流動特性進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明:低頻率流量脈動未引起流體的速度分布變化,壓降與流量間存在相位差,相位差僅與通道窄邊尺寸、流體粘性及脈動周期相關(guān)。脈動周期及流體粘性越大,相位差越小;窄邊尺寸越大,相位差越大。通過建立模型對上述現(xiàn)象進(jìn)行了分析。

對水力直徑90.6μm、寬深比9.668的矩形硅微通道中的流動冷凝過程進(jìn)行了可視化研究。研究發(fā)現(xiàn),寬矩形硅微通道中的冷凝,沿程主要有珠狀-環(huán)狀復(fù)合流、噴射流和彈狀-泡狀流等流型。在珠狀-環(huán)狀復(fù)合流區(qū),冷凝液膜可覆蓋通道豎直側(cè)壁,而在通道長邊上,仍然為珠狀凝結(jié)。噴射流位置隨著入口蒸氣reynolds數(shù)的增大而延后,通道截面形狀對流動冷凝不穩(wěn)定性也存在很大影響。噴射流之后為彈狀-泡狀流,彈狀氣泡沿程逐漸縮短,并在表面張力的作用下收縮成圓球形氣泡。冷凝通道的平均傳熱系數(shù)將隨著入口蒸氣reynolds數(shù)的增大而增大。

本文以去離子水為工質(zhì)進(jìn)行實驗,研究垂直矩形窄通道換熱特性。采用單側(cè)壁面加熱,改變工質(zhì)流動參數(shù),分析沿流動方向的壁面溫度分布特性和測溫點處的局部換熱系數(shù)。實驗表明:以對流沸騰為主的階段,換熱系數(shù)隨著質(zhì)量流速的增加而增加,入口溫度對于換熱系數(shù)基本沒有影響;當(dāng)干度χ0.1時,換熱系數(shù)隨著干度的增加而基本保持不變。以核態(tài)沸騰為主的階段,換熱系數(shù)隨干度的增加而略微上升,隨入口溫度的升高而增加。

對旋轉(zhuǎn)矩形通道內(nèi)的湍流流動和換熱進(jìn)行了直接數(shù)值模擬.非穩(wěn)態(tài)n-s方程的空間離散采用二階中心差分法,時間推進(jìn)采用二階顯式adams-bashforth格式.分析了旋轉(zhuǎn)對通道截面上主流平均速度、截面流速以及截面平均溫度的影響,結(jié)果表明:在不考慮離心力的作用時,隨旋轉(zhuǎn)數(shù)的增大,管道截面的平均速度減小,平均湍動能減小,與靜止時相比,旋轉(zhuǎn)數(shù)為1.5時平均湍動能減小了33%;在考慮離心力的影響時,對于徑向旋轉(zhuǎn)軸向出流,平均速度增大,平均湍動能增大,而對于徑向旋轉(zhuǎn)軸向入流,結(jié)果相反.在旋轉(zhuǎn)數(shù)為1.5時,與不考慮浮升力相比,對于徑向旋轉(zhuǎn)軸向出流,平均湍動能增大了17%,而對于徑向旋轉(zhuǎn)軸向入流,平均湍動能減小了43%.

運用數(shù)值計算的方法將流動方向擾流圓柱排列密度對渦輪葉片尾緣冷卻通道中流動傳熱的影響進(jìn)行了三維數(shù)值研究。研究了流動雷諾數(shù)、流動方向圓柱排列密度對肋柱擾流矩形通道表面?zhèn)鳠嵊绊懙囊?guī)律。計算結(jié)果表明:在研究范圍內(nèi),肋柱表面的平均nu均隨著re的增大而增大。在re相同的情況下,隨x/d取值的增大,肋柱表面平均nu有所減小。nu在通道進(jìn)口附近逐漸增加,然后達(dá)到充分發(fā)展值。傳熱在迎向流動方向的圓柱側(cè)較強(qiáng),在流動向背側(cè)表面?zhèn)鳠彷^弱。沿圓柱高度方向在中部傳熱較強(qiáng)。

常壓下,以空氣和水為工質(zhì),對寬高比不同的兩個矩形通道內(nèi)兩相流動摩擦阻力特性進(jìn)行了研究,并對常規(guī)通道和微小通道內(nèi)兩相壓降的計算模型進(jìn)行了驗證和評價。結(jié)果表明:傳統(tǒng)的常規(guī)通道經(jīng)驗關(guān)系式并不適用于窄矩形通道中的壓降計算;基于微小通道的計算方法中,lee-lee模型與實驗值符合程度較好,但在一定的參數(shù)范圍內(nèi)仍存在較大誤差。提出基于chen模型的chisholmc系數(shù)方法的修正關(guān)系式,式中綜合考慮了矩形通道寬高比、全液相雷諾數(shù)和l-m參數(shù)對chisholmc系數(shù)的影響,修正關(guān)系式與實驗值符合較好。

通過實驗與三維數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,對內(nèi)置螺旋線圈平行平板通道的流動及傳熱特性進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)相對于無擾流填充物的平板通道,螺旋線圈的應(yīng)用能夠顯著地強(qiáng)化傳熱,相同re數(shù)下nu數(shù)增幅為29%~141%,相應(yīng)地阻力系數(shù)增幅為26%~175%。數(shù)值模擬的結(jié)果顯示,流體受螺旋線圈的誘導(dǎo)可產(chǎn)生多縱向渦流動,增強(qiáng)了速度在垂直于壁面方向的分量,同時導(dǎo)致溫度場發(fā)生明顯改變,使得速度場與溫度梯度場的協(xié)同性能得到提升,從而強(qiáng)化了傳熱。在700<re<7500的范圍內(nèi),通過對流動換熱綜合性能參數(shù)的比較發(fā)現(xiàn),在re數(shù)較小時,強(qiáng)化傳熱后換熱效果的提升要大于流動阻力的增加,而在re數(shù)較高時則相反。

對微矩形溝槽熱管的傳熱極限進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,并通過實驗討論分析熱管工質(zhì)物性群數(shù)nl、幾何結(jié)構(gòu)群數(shù)ge和重力比數(shù)hg三者對其傳熱極限的影響作用。研究表明,qc與ge和hg呈近似指數(shù)增長變化,而與nl成線性增長關(guān)系。熱管運行于較高溫度、合理的幾何結(jié)構(gòu)和有效利用重力的輔助作用,可明顯提高熱管的傳熱能力,同時也證明了該傳熱極限模型的正確性。

對寬度為1和0.1mm豎直矩形細(xì)通道內(nèi)的沸騰換熱展開研究,通過數(shù)值模擬的方法探索汽泡生成、長大和脫離的過程;用幾何重構(gòu)和界面追蹤的方法獲取相界面移動和變化對系統(tǒng)內(nèi)壓差以及平均表面換熱系數(shù)的影響,計算中考慮了重力、表面張力和壁面黏性的作用。發(fā)現(xiàn):通道寬度的不同對汽泡生長方式和汽泡形態(tài)產(chǎn)生很大影響,并由此導(dǎo)致臨界熱流密度的變化;表面張力在細(xì)通道沸騰換熱過程中所起的作用要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于重力;隨著通道尺寸的減小,沸騰換熱系數(shù)明顯增大,證明了細(xì)通道有強(qiáng)化換熱的作用;由于數(shù)值計算中進(jìn)行的理想化假設(shè),導(dǎo)致數(shù)值模擬的沸騰換熱系數(shù)比現(xiàn)有細(xì)通道沸騰換熱實驗數(shù)據(jù)普遍偏高。

可視化研究窄縫通道內(nèi)汽泡生長和脫離對于揭示窄縫通道內(nèi)的沸騰傳熱機(jī)理具有重要意義。本文采用高速攝影儀從寬面和窄面可視化觀察了常壓條件下矩形窄縫通道內(nèi)汽泡核化生長和脫離規(guī)律。研究結(jié)果表明,汽泡在核化點生長時,汽泡底部與加熱面存在一小的接觸面,總體而言,汽泡在生長過程中基本呈球狀。在相同熱工參數(shù)下,不同核化點處汽泡生長規(guī)律基本相同,但汽泡脫離直徑相差較大。窄縫通道內(nèi)汽泡生長速率小,脫離時間較長,可采用修正的zuber公式預(yù)測窄縫通道內(nèi)汽泡生長直徑。在同一拍攝窗口內(nèi),統(tǒng)計分析了熱工參數(shù)對汽泡平均脫離直徑的影響規(guī)律。隨熱流密度的增加,汽泡平均脫離直徑減小;隨入口欠熱度的增加,汽泡平均脫離直徑減小;隨主流速度的增加,汽泡平均脫離直徑減小。

在建設(shè)工程領(lǐng)域，矩形柱和矩形梁都是常見的結(jié)構(gòu)元素。本文將對矩形柱和矩形梁進(jìn)行對比，從材料、設(shè)計、施工等方面進(jìn)行詳細(xì)說明，以幫助讀者更好地理解和應(yīng)用這兩種結(jié)構(gòu)元素。

根據(jù)試驗測得的矩形渠道在不同流量、不同閘門開度情況下的閘前流速、水深、流量數(shù)據(jù)和計算的閘前各斷面的動能修正系數(shù),對閘前流速分布規(guī)律進(jìn)行了研究,結(jié)果表明:在同一閘門開度、同一流量下,隨著距閘前距離的增大,動能修正系數(shù)減小,即流速分布越來越均勻;在同一閘門開度、同一斷面下,隨著流量的增大,動能修正系數(shù)增大,即流速分布越來越不均勻;在同一斷面、同一流量下,隨著閘門開度的變大,動能修正系數(shù)變小,即流速分布越來越均勻。