在管內(nèi)核心區(qū)插入多孔介質(zhì)實現(xiàn)強化傳熱的實驗與數(shù)值研究.pdf

1、能源是社會發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，目前，在世界范圍內(nèi)普遍存在著能源短缺的問題，而對于正在全面開展現(xiàn)代化建設的我國來說，能源問題的重要性是不言而喻的。設計和制造各類高性能換熱設備是節(jié)約能源的最重要手段，因此強化傳熱技術(shù)的開發(fā)對解決能源問題具有積極意義。傳統(tǒng)的強化傳熱技術(shù)主要是針對換熱表面實施強化措施，其目的是破壞換熱邊界層，增加邊界流上的流體擾動，實現(xiàn)換熱的強化，然而這種方式不可避免地會增加流體的流動阻力，使強化換熱的綜合性能（PEC）偏低。

2、與傳統(tǒng)上基于換熱表面的強化傳熱技術(shù)不同，劉偉教授提出了基于流體的核心流強化傳熱理論，他認為在受限空間中流動的流體的核心區(qū)是一個值得利用的強化傳熱區(qū)域，通過將核心區(qū)流體的溫度均勻化，就可以在換熱表面附近的邊界區(qū)形成一個很大的溫度梯度，從而實現(xiàn)換熱的強化。這種方法不需要對邊界流體作過多的擾動，所以流體的流動阻力增加有限，強化換熱綜合性能可以得到顯著的提高。
　　 金屬多孔介質(zhì)由于擁有優(yōu)秀的溫度均勻性能而成為核心流強化傳熱理論應用于管

3、內(nèi)強制對流換熱問題的一種重要元件。本文以空氣作為流動介質(zhì)，在定熱流的加熱條件下，對在管內(nèi)核心區(qū)插入各種形式的多孔介質(zhì)時的換熱與流動特性進行了實驗和數(shù)值研究，并運用場物理量協(xié)同分析了流場中各個協(xié)同角之間的關(guān)系。研究結(jié)果表明，在管內(nèi)的核心區(qū)插入多孔介質(zhì)可以獲得優(yōu)秀的強化換熱綜合性能，從而驗證了核心流強化傳熱理論的正確性。
　　 本文首先對在管內(nèi)核心區(qū)插入環(huán)狀多孔介質(zhì)時的對流換熱過程進行了數(shù)值分析，其中環(huán)狀多孔介質(zhì)的填充方式分別為以下

4、三種：（1）在充分發(fā)展的層流核心區(qū)中插入環(huán)狀多孔介質(zhì)；（2）在層流的熱入口段核心區(qū)中插入環(huán)狀多孔介質(zhì)；（3）在層流的熱入口段核心區(qū)中插入軸向非連續(xù)的環(huán)狀多孔介質(zhì)。
　　 數(shù)值分析結(jié)果表明，在運用插入環(huán)狀多孔介質(zhì)的方法進行強化傳熱時，多孔材料的孔隙率ε對強化管的綜合換熱性能有顯著的影響，孔隙率越大，綜合換熱性能越好。而且，對于內(nèi)徑為18mm的圓管，在環(huán)狀多孔介質(zhì)的外半徑Ro固定的條件下，其中
　　 心孔半徑Ri的最佳值為1

5、mm，進一步縮小Ri的值對換熱綜合性能的影響甚微，在某些情況下甚至會使綜合性能下降。另外，對于在管內(nèi)層流熱入口段的核心區(qū)插入軸向非連續(xù)的環(huán)狀多孔介質(zhì)實現(xiàn)強化傳熱的形式，為了獲得理想的強化換熱綜合性能，應該盡可能減小環(huán)狀多孔介質(zhì)的軸向間距（Le），使多孔介質(zhì)排列盡可能緊密，以減小圓管表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h的衰減。只要Le足夠小，這種軸向非連續(xù)的填充方式能夠比連續(xù)填充時取得更好的強化換熱綜合性能。
　　 另外，本文設計并制造了用于研究空氣在

6、圓管內(nèi)對流換熱的實驗系統(tǒng)，通過對光管對流換熱問題的實驗研究驗證了實驗結(jié)果的可靠性。并且對在管內(nèi)核心區(qū)插入3種自行設計的孔隙率不同的網(wǎng)狀多孔介質(zhì)時的對流換熱進行了實驗研究，另外還以實驗工況為物理模型，對實驗研究的問題進行了數(shù)值模擬和分析。
　　 實驗結(jié)果表明在管內(nèi)的核心區(qū)插入網(wǎng)狀多孔介質(zhì)是一種有效的強化傳熱方法，在Re=1000～19000的范圍內(nèi)，其換熱強度比光管提高1.6～5.5倍，但與此同時，也會在一定程度上增大流體的流動阻

7、力。這種強化傳熱方法可以在層流域內(nèi)獲得較好的性能，其PEC值均大于1，而最大值可以達到1.44左右。而且網(wǎng)狀多孔介質(zhì)的孔隙率ε對強化管的傳熱和流動性能均有顯著的影響，在不同的Re數(shù)范圍內(nèi)，獲得最佳換熱性能對應的多孔介質(zhì)孔隙率并不一樣。
　　 通過與實驗結(jié)果的比較，本文獲得了一個準確度較高的描述管內(nèi)核心區(qū)插入網(wǎng)狀多孔介質(zhì)對流換熱的數(shù)值模型。數(shù)值模擬的結(jié)果表明在管內(nèi)核心區(qū)插入網(wǎng)狀多孔介質(zhì)可以使該區(qū)域流體的溫度分布極大地均勻化，從而在