沟槽尺寸对环隙内流动及其传热特性影响的研究

摘要

Taylor-Couette流动广泛存在于高温泵、电机、旋转热管、数控机床等装置中，研究该流动有利于提升旋转机械性能和机器的长期稳定运行。本文在国家自然科学基金项目（No.51206062）资助下，研究了壁面沟槽尺寸对环隙内流动及其传热性能的影响规律，本文的主要研究内容如下：
　　利用 PIV测试了沟槽数量为6的模型在不同工况下的流场，初步获得了沟槽对环隙内流动及其传热特性的影响规律。采用数值计算的方法研究了相同模型内的流场分布，通过PIV实验和模拟结果的对比验证了数值计算方法的可靠性。
　　为掌握沟槽尺寸对环隙内流场及其传热过程的影响规律，本文研究了泰勒涡流、波动涡流、湍流泰勒涡流三种典型流态。研究工作分别在等温工况和不同传热工况下进行，掌握了沟槽深度对环隙内流场以及传热性能的影响规律，具体成果如下：
　　1)等温工况下：泰勒涡流流态，沟槽深度的改变不影响泰勒涡的轴向尺寸，但在一定范围内增加了环隙中间区域流体的径向速度；波动涡流流态，随沟槽深度增加，波动涡流的振幅和波长均增大，这表明沟槽深度对波动涡流的轴向尺寸和周向尺寸均有较大影响；湍流泰勒涡流流态，深宽比为0.75的模型内壁面附近流体湍流强度最大。
　　2)非等温工况下：泰勒涡流流态，深宽比为0.75模型的内圆柱壁面努赛尔数最大，当深宽比大于0.75并继续增加时，环隙内流体的传热性能并没有得到明显加强；波动涡流流态，增大内外壁面温度梯度使得波动涡流沿轴向的振幅减小而振动频率保持不变；湍流泰勒涡流流态，深宽比为0.75模型的内壁面附近流体湍流强度和外圆柱壁面热流密度的计算结果均高于其他模型的；泰勒涡流流态和波动涡流流态，随着内外壁面温度梯度越大，环隙内流体的传热过程对流场转捩的抑制作用越强。
　　3)对深宽比为0.75模型内流体的传热过程进行分析，采用矩阵除的线性方程解法拟合出努赛尔数、雷诺数和普朗特数之间的关系式：0.91360.86330.0283（Re）（Pr）Nu?。
　　综上所述，本文所研究的四种不同深宽比的模型中，深宽比为0.75的模型具有最优的传热效果，沟槽深度在一定范围内能够强化流体与壁面之间的对流换热，这一研究对提高旋转机械的散热性能具有一定意义。

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究内容

第二章CFD数值模拟理论基础

2.1引言

2.2控制方程组

2.3湍流理论

2.4网格研究

2.5传热设置及边界条件设置

2.6本章小结

第三章 PIV实验与数值计算

3.1 试验装置

3.2 试验过程

3.3 试验结果分析

3.4数值模拟验证

3.5数值模拟

3.6沟槽尺寸对泰勒涡流的研究及分析

3.7沟槽尺寸对泰勒涡流传热特性影响的研究及分析

3.8本章小结

第四章 沟槽尺寸对环隙内流场影响的研究

4.1 几何模型

4.2沟槽尺寸对泰勒涡流的研究及分析

4.3沟槽尺寸对波动涡流流场影响的研究

4.4沟槽尺寸对湍流泰勒涡流流场影响的研究

4.5本章小结

第五章 沟槽尺寸对泰勒涡传热特性影响的研究

5.1沟槽尺寸对泰勒涡流传热特性影响的研究

5.2沟槽尺寸对波动涡流传热特性影响的研究

5.3沟槽尺寸对湍流泰勒涡流传热特性影响的研究

5.4不同温度梯度时的结果分析

5.5 Taylor-Couette流动的传热特性分析

5.6本章小结

第六章总结和展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文