脉动流场下波壁流路内质量传递强化机理的实验研究

摘要

随着现代工业的快速发展，热质传递过程广泛地应用于生物化工、生物医疗等领域。为了满足节约能源和保护环境的需求，研究者更加关注高效、低耗热质传递设备的研制。然而，在实际工程应用中，热质传递往往因系统尺寸、形状、效率等而受到影响。所以，在最近几十年内，研究者们致力于热质传递强化的研究。二维流路和定常流场下三维流路中的热质传递强化已有成熟的研究结果，并被广泛用于工程实践中；而脉动流场下三维流路中的热质传递强化还没有详尽的研究。因此，在立足于前人研究结果的基础上，本研究拟采用电化学与流动可视化相结合的方法，通过实验来阐明伴有反向流的脉动流场下三维波壁流路内的质量传递强化机理。为其它三维流路的相关研究提供理论依据，从而优化传递过程，为工程应用打基础。本文的主要内容如下： 第一章回顾了国内外相关研究的成果。热质传递的研究分别在二维、三维流路中进行。现有研究结果表明，二维流路内的研究比较成熟，实验结果与数值模拟相吻合，充分揭示了二维流路内的热质传递过程及强化机理。三维流路的研究成果较少，其热质传递过程及强化机理仅在定常流场下做了充分的研究。而脉动流场下的强化机理仍未明确。 第二章介绍了本研究的测试系统、测试原理以及测试方法。定常流叠加一个由Scotch-Yoke装置带动活塞泵而产生的振动流形成脉动流。电化学法被用于测量质量传递速率，其基本原理是以扩散电流的大小来表征质量传递速率。铝尘法被用于流动结构的可视化，由光控相机记录下来的铝粒子的运动轨迹可以清晰地获得各种操作条件下的流动结构。 第三章描述了研究成果。首先验证了定常流场的部分结论，接着对脉动流场下影响热质传递强化效果的净流动雷诺数Re<,s>、振动分率P、无因次的振动频率St数这三个参数进行了研究，并提出了振动分率P≥1时的强化机理，即在净流动雷诺数接近并超过临界雷诺数并伴有反向流的条件下，满足共振强化的两个特性，因此，三维管路中也存在共振传递强化。但由于在三维管路中并不存在周期性的T-S波，故所谓的“共振”不可能与流动行为有关，推测是流体流动与管路的几何形状以某种方式产生了该共振。 第四、五章总结了本研究的成果并指出了将来工作的方向。

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英文文摘

论文说明：图表目录

声明

1绪论

1.1研究背景

1.2前人研究工作的回顾

1.2.1二维流路内的流体流动及热质传递强化

1.2.2三维流路内的流体流动及热质传递强化

1.3本课题研究内容及预期研究成果

2实验设备及实验方法

2.1实验室现状

2.2定常流实验装置

2.3脉动流实验装置

2.3.1测试系统的组成

2.3.2测试段几何尺寸

2.3.3实验流体

2.4沿程阻力测量系统

2.5电化学测量系统

2.5.1电化学方法测量原理

2.5.2传质速率测量系统

2.6流动可视化测量系统

3研究结果与讨论

3.1参数定义

3.2电化学实验研究与讨论

3.2.1转子流量计的标定

3.2.2定常流场下流动特性的实验研究结果与讨论(P=0.0)

3.2.3脉动流场下质量传递强化的实验研究结果与讨论(P＞0.0)

3.3流动可视化实验研究与讨论

3.3.1定常流场下波壁管内的流动结构(Qo=0)

3.3.2振动流场下波壁管内的流动结构(Qs=0)

3.3.3脉动流场下波壁管内的流动结构

4总结

5进一步工作展望

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢