摇摆运动下冷却剂低流速流动、传热特性研究

摘要

本文针对摇摆运动下竖直窄矩形通道低流速单相流动传热特性进行了实验研究和数值模拟。
　　对流动特性的研究使用摇摆台上的流动实验回路,以去离子水为流动工质,采用横截面尺寸为40.232.75mm2的窄矩形通道。实验研究发现:摇摆运动下流量是否波动并不取决于流量的大小,而是取决于驱动力,周期性变化的附加惯性力和回路阻力系数之间的相互关系。周期性波动的附加惯性力越大,流量波动幅度越大,较大的驱动力和回路阻力系数都能够减小流量波动幅度,有助于系统的稳定。实验结合理论研究获得摇摆运动下流量波动界限,当驱动力大于50倍的附加惯性力振幅时,流量相对波动幅度不足1％,认为流量不再波动。按两种方法得到摇摆运动下时均阻力系数,按不同方法得到时均阻力系数在层流区的不同变化趋势可以从“时均耗散率”和“时均摩擦阻力压降”两方面进行解释。对实验数据进行拟合得到瞬时阻力系数拟合关系式,该式在摇摆振幅或摇摆频率趋于零时与稳态条件下的关系式保持一致。
　　流动传热特性的研究采用摇摆台上的热工实验回路,流动工质为去离子水,试验段采用名义横截面尺寸为402mm2的窄矩形通道。实验研究结果表明:摇摆运动没有造成窄矩形通道时均传热系数的增加,不会造成时均传热量的增强。瞬时传热系数周期性波动,通过实验数据拟合得到瞬时传热系数的拟合关系式,该式在摇摆振幅或摇摆频率趋于零时与Shah&London以及Gnielinski等经典传热系数关系式保持一致。
　　采用数值计算方法(CFD)对摇摆运动下横截面尺寸为403mm2的窄矩形通道内脉动流动传热特性进行研究,主要关注横向附加惯性力引起的二次流对截面速度分布的影响,以及二次流引起的流动阻力和传热系数的变化。计算结果表明:横向附加惯性力的存在会造成流动通道内旋涡分布的改变,引起流动通道横截面“二次流”强度的周期性变化;摇摆运动下的“二次流”强度大于无横向附加惯性力下脉动流动时的“二次流”强度。在海洋条件能够造成的最剧烈的摇摆运动工况下,横向附加惯性力的存在不能造成流动边界层的变化,因此不能造成窄矩形通道流动阻力的改变,也不能造成窄矩形通道流动传热系数的变化。

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第1章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 本论文主要研究内容

第2章 实验装置和实验方案

2.1 摇摆实验台

2.2 实验回路及测量系统

2.3 实验方法与参数

2.4小结

第3章 实验数据处理及实验系统验证

3.1 实验数据处理

3.2 稳态流动阻力与传热特性实验验证

3.3 本章小结

第4章 摇摆运动下流动传热特性

4.1 摇摆运动下流动特性研究

4.2 摇摆运动下流体传热特性研究

4.3 本章小结

第5章 摇摆运动影响流动传热特性数值模拟

5.1 物理模型

5.2 理论模型

5.2 边界条件及模型验证

5.3 无横向附加惯性力时脉动紊流流动传热特性

5.4 摇摆运动下脉动紊流流动传热特性

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢