熱量運輸機理及其在混沌流強化傳熱中的應用研究.pdf

1、隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，能源問題已經(jīng)滲透到社會的各個方面。能源的轉(zhuǎn)換和利用普遍存在于石油、化工、能源、冶金、材料等工程領(lǐng)域以及航空、電子、核能等高科技領(lǐng)域。降低換熱設(shè)備的重量、減少換熱設(shè)備的體積、節(jié)能降耗等成為了現(xiàn)代熱科學研究領(lǐng)域的熱點問題。熱量傳遞與優(yōu)化是能量應用的關(guān)鍵問題，廣泛的存在于能量利用的各個過程。 本文的主要目標是以對流換熱的基本物理機理為切入點，以對流換熱關(guān)鍵控制分析為基礎(chǔ)，以停留時間分布和非線性理論為工具，以類管狀流

2、道為基本研究對象，在前人對混沌流研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)出基于新流態(tài)的全新的混沌流板翅式換熱器翅片，并揭示混沌流強化傳熱的本質(zhì)。 本文的研究工作包括： 從對流換熱的能量方程出發(fā)，重新分析層流和湍流流動特性，得到這兩種流動中傳熱的控制因素，建立新的流動傳熱控制模型，得到了能量方程新的表達方式，從而指出影響對流換熱的關(guān)鍵因素，為開發(fā)新的強化傳熱方法提供理論和實驗的指導。 從熱量運輸?shù)挠^點出發(fā)得知，在類管狀流道中，徑向流動改

3、善速度熱量的運輸方向；切向流動增加熱量的裝載效率，這兩種流動對于傳熱有利。在粘性耗散一定的條件下，以熱量傳遞外界消耗機械能最小為優(yōu)化目標，得到了三角形流道內(nèi)由于扭曲和擺動而導致的最佳換熱流場。 提出一種新型板翅式換熱器翅片，并對其流動截面上的動力學進行分析發(fā)現(xiàn)，這個簡化的動力學模型完全符合Duffing方程。流道內(nèi)流動在合適的條件下可能演化為混沌流。通過數(shù)值計算的方法證實了流道中流動情況與假定情況相似，表明通過假定簡化后的流動動

4、力學模型具有較高的可信度。 將熱量運輸?shù)挠^點指導下獲得的最佳流場和混沌流場相比較發(fā)現(xiàn)，兩者很相似?；煦缌鞯纼?nèi)多縱向渦的分布符合三角形流道內(nèi)層流對流換熱的最佳流場的縱向渦的分布。通過分析發(fā)現(xiàn)，這種基于混沌流現(xiàn)象的縱向渦可顯著強化管內(nèi)層流換熱而流阻增加很少。效能因子η<,e>最高可以達到接近200％，其換熱增加顯著強于流阻的增強。 結(jié)合傳質(zhì)的特點，并將反應器內(nèi)研究混合情況的停留時間分布(RTD)概念引入混沌流傳熱研究中，擴展

5、了Pe準數(shù)的物理含義，指出在Pe準數(shù)是衡量管內(nèi)對流換熱的重要標志參數(shù)，揭示了混沌流強化傳熱的本質(zhì)。對混沌流的傳熱效果做了定量的分析，并提出了預測強化傳熱能力的方法。 以數(shù)值計算為主，結(jié)合實驗驗證研究發(fā)現(xiàn)，在混沌流翅片這樣復雜的流道內(nèi)，層流向湍流轉(zhuǎn)變的臨界雷諾數(shù)有所降低。通過改變流道結(jié)構(gòu)參數(shù)、流動狀態(tài)、介質(zhì)特性等條件，建立不同的計算模型，計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)流速是影響混沌流翅片流道內(nèi)流動與傳熱的主要因素，并回歸出流動阻力系數(shù)和傳熱無因次準