振动强化传热机理分析及新型振动传热元件实验研究

摘要

面对日益严重的能源短缺与环境污染,开发新能源、提高能源利用率已成为国际社会有效缓解这一双重压力的重要途径,与之相关的理论与方法必将继续成为研究的热点。振动强化传热因其良好的效果曾在上世纪五六十年代引起了广泛的关注,但因难以在换热器内实现振动而停止研究。随着流体诱导振动传热元件的提出,实现振动的方法有了变革性的拓展,这一课题也在逐渐兴起。本文从理论分析、数值模拟与实验研究三方面对振动强化传热的机理进行了较为细致的分析,提出了流体诱导振动强化传热元件--新型弹性管束,并对其固有振动特性、传热特性进行了系统研究。
　　 建立了振动管外流动传热的CFD动网格模型,得到了1/4周期内不同时相位的管外速度矢量图。与无振动工况对比,振动能够增加管壁与近壁区流体的相对速度,能够在平行振动方向上的管壁两侧形成有效地冲刷。得到了有、无振动工况的温度场分布图,对比两者可以发现在相同的传热温差下振动工况的热边界层薄、温度梯度大,说明振动能够有效强化传热。
　　 提出了有效速度的概念,并采用该参数作为强化传热性能优劣的评价指标。计算了振动圆管近壁区流体在不同时相位、面相位的场协同角余弦值及有效速度值。在每一个确定的时相位下,面相位β=0-360°区间内其协同角余弦值与有效速度值均存在两个变化周期。其中,两峰值分别对应于平行振动方向的管壁左右两侧,两谷值则对应于垂直振动方向的上下两侧。在1/4周期内,随着时相位的升高,其管外平均场协同角余弦值及有效速度值均逐渐增加。
　　 计算了不同管型在不同振动频率、振幅下的管外平均场协同角余弦值及有效速度值。对于同一管型与振幅,随着频率的升高,其管外平均场协同角余弦值变化较小,但其管外流体的有效速度值呈近似线性增加。在相同振动频率与振幅下,沿椭圆长轴、圆管径向及椭圆短轴方向振动的管外平均场协同角余弦值、有效速度值均为依次增加,证明除频率和振幅等参数外,管型也是影响换热性能的重要因素。在半周期内,时相位为90°时振动管外的有效速度值最大。
　　 建立了振动管外流场的PIV实验台,对不同管型的振动管外流场进行了可视化实验研究,得到了不同工况下的管外流场速度矢量图,其结果与同参数的数值模拟结果吻合较好。
　　 建立了单管振动传热实验台,对实验装置与测试系统的可靠性进行了系统分析。得到了不同振幅、频率及振动管型下的表面传热系数,总结了三因素对管外换热性能的影响规律。在相同振动频率与振幅下,沿椭圆长轴、圆管径向及椭圆短轴方向振动的换热性能依次增强,采用三因素三水平正交表对实验数据进行极差及方差分析,结果证明除频率和振幅等参数外,管型也是影响换热性能的重要因素,与数值模拟结果吻合。同时,得到了表面传热系数和振动参数之间的拟合关联式。对实验中出现的共振现象进行了分析讨论,共振能够引起表面传热系数成倍提高,在实验装置可靠性允许的范围内,共振有利于强化传热。
　　 提出了一种新型的弹性管束,与原管束相比,该管束与立柱相连接的端部所受弯矩小于原管束的1/6,受力特性有了较大的改善；同时单位容积的换热面积约增加24.7％。对新型弹性管束进行模态实验研究,结果表明,新型弹性管束的振型较为复杂,为面内、面外振动相结合的三维振动；与原管束相比,其固有频率相对较低,并且其中间2＃、3＃两弹性管的振动较其它两根强烈,因为是其有着相对自由的边界条件。对新型弹性管束进行有限元分析,模拟结果与模态实验结果吻合较好,证明本文采用的实验模拟方法具有较高的可靠性。
　　 建立了新型弹性管束换热器电加热恒热流传热实验台,对实验装置和测试系统进行了可靠性验证。在管外流体诱导振动条件下,弹性管束的管外平均表面传热系数基本为固定管束的3倍以上,强化传热效果显著。
　　 设计了电机驱动及流体诱导脉动装置,得到了新型弹性管束在不同流体脉动频率下的管外平均表面传热系数,并对各脉动工况下的流动阻力及综合传热性能进行分析,得出低频脉动工况有利于强化传热。得到了不同布置方式下弹性管束的管外平均表面传热系数,通过比较可以发现,大多数工况下,管束换热效果的优劣顺序为:两侧分布-错排>单侧分布-错排>单侧分布-顺排。同时,拟合得到了不同工况下的实验关联式,与实验数据对比最大误差小于5.0％。得到了新型弹性管束的局部表面传热系数,中间两根弹性管的传热系数要明显高于边缘两管,将四根弹性管各位置所测传热系数平均可以得到四管换热性能的强弱次序,即2＃>3＃>1＃>4＃。其中,中间两弹性管小自由端的管外表面传热系数要略高于换热元件的其它位置。
　　 建立了新型弹性管束换热器水-水、汽-水传热实验台,对两种条件下的新型弹性管束进行了传热实验研究,并对弹性管束管内、管外传热系数进行分离。在新型弹性管束管内流体入口安装了脉动装置,得到了水-水换热条件下不同流量、脉动频率的弹性管束管内外表面传热系数、传热系数。实验结果表明,该工况下管内流体脉动对弹性管束的传热特性基本无影响。水-水与汽-水换热条件下,弹性管束的管外表面传热系数与恒热流条件相比有较为明显的提高,其中,汽-水换热条件下提高最大,因为为管内介质能够在很大程度上改变弹性管束的振动特性、从而强化传热。
　　 建立了流固耦合(FSI)简化模型,计算得出了流向最大形变随流体与结构各参数的变化规律曲线。通过极差分析得出了流体与结构参数对结构流向形变的影响大小,其中管长、流体速度、管厚与流体密度为影响结构形变的主要因素。通过数据拟合得到了最大流向形变与流体、结构参数间的计算关联式,与计算结果的平均误差为8.2％。同时,可以通过合理选择各参数的具体数值来有效控制结构形变的大小,为工程设备的运行设计提供参考依据。

目录

文摘

英文文摘

CONTENTS

主要符号表

第一章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 振动强化传热研究进展

1.3 脉动强化传热研究进展

1.4 场协同原理概述

1.5 本文的主要研究内容

第二章 基于场协同理论的振动强化传热机理分析

2.1 数值计算模型

2.1.1 数学模型

2.1.2 壁面振动模型

2.1.3 计算物理模型

2.2 边界条件与网格划分

2.2.1 入口边界条件

2.2.2 出口边界条件

2.2.3 壁面边界条件

2.2.4 网格划分

2.3 数值模拟结果分析

2.3.1 振动圆管外流动与传热性能分析

2.3.2 不同管型振动管外流场与传热性能比较分析

2.4 振动管外流场的PIV实验研究

2.4.1 PIV实验原理

2.4.2 实验系统与方法

2.4.3 实验结果分析

2.5 本章小结

第三章 振动管外流动与传热特性实验研究

3.1 实验装置及系统

3.2 实验数据处理方法

3.3 实验系统的可靠性验证

3.3.1 热电偶及FLUKE数据采集系统的标定

3.3.2 电加热恒热流条件验证

3.3.3 误差分析

3.3.4 实验数据可靠性分析

3.4 实验结果分析

3.4.1 振动频率与振幅对管外换热的影响分析

3.4.2 振动条件下管外换热的实验关联式

3.4.3 共振工况对管外换热的影响分析

3.5 本章小结

第四章 新型弹性管束固有振动特性研究

4.1 新型弹性管束的提出

4.1.1 制作过程

4.1.2 质心计算

4.1.3 优化前后弹性管束的比较分析

4.2 新型弹性管束固有振动特性分析

4.2.1 实验模态分析原理

4.2.2 新型弹性管束模态分析实验研究

4.2.3 新型弹性管束模态分析数值模拟研究

4.2.4 实验及模拟结果分析

4.3 本章小结

第五章 恒热流条件下新型弹性管束的传热实验研究

5.1 实验装置及系统

5.1.1 实验系统

5.1.2 脉动发生器

5.1.3 管束布置方式

5.2 实验数据处理方法及可靠性分析

5.3 实验结果分析

5.3.1 流体脉动频率对弹性管束传热特性的影响分析

5.3.2 管束布置方式对弹性管束传热特性的影响分析

5.3.3 加装流体诱导脉动装置对弹性管束传热特性的影响分析

5.3.4 脉动装置动静叶片间距对弹性管束传热特性的影响分析

5.3.5 管束端部采用弹簧连接对弹性管束传热特性的影响分析

5.3.6 流体冲击自由端对弹性管束传热特性的影响分析

5.3.7 不同工况下的弹性管束局部传热特性研究

5.3.8 不同脉动工况下弹性管束综合传热性能分析

5.3.9 不同工况下的实验关联式

5.3.10与原弹性管束传热性能的对比分析

5.4 本章小结

第六章 水-水、汽-水条件下新型弹性管束的传热实验研究

6.1 实验装置及系统

6.2 实验数据处理方法

6.2.1 传热量的计算方法

6.2.2 传热温差的计算方法

6.2.3 传热系数的计算方法

6.2.4 管内、外表面传热系数的分离方法

6.3 实验结果分析

6.3.1 水-水换热工况传热实验结果分析

6.3.2 汽-水换热工况传热实验结果分析

6.4 本章小结

第七章 流体诱导结构形变的影响参数分析

7.1 计算模型及求解条件

7.2 计算结果及分析

7.3 数值计算结果验证

7.4 本章小结

第八章 全文总结及展望

8.1 全文总结

8.2 本文的主要创新点

8.3 本文的不足与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文目录

Part Ⅰ Numerical simulation of flow and heat transfer characteristics outside a periodically vibrating tube

References

Part Ⅱ Influencing parameters of flow-induced structural deformation for a circular tube

References

学位论文评阅及答辩情况表