论文题目: 脉冲流动和壁面振动传热研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 动力工程及工程热物理
作者: 俞接成
导师: 李志信,赵天寿
关键词: 脉冲流动,壁面振动,强化换热,场协同理论
文献来源: 清华大学
发表年度: 2005
论文摘要: 脉冲流动和壁面振动都可通过使流体脉动来影响换热。前人对脉冲流动换热问题进行了大量研究,但研究的结果并不一致,甚至出现截然相反的结果;而壁面振动是工程实际中不可避免的问题。本文研究了典型脉冲流动和壁面振动的对流换热问题,并应用场协同理论分析了能否强化换热的物理机制。采用复分析法和分离变量法,理论分析了平行平板通道和圆管内的层流脉冲流动对流换热,获得了壁面为等热流条件时的温度分布的解析解,并对等热流和等壁温边界的脉冲流对流换热进行了数值模拟。理论分析和数值计算结果表明,从周期平均的角度看,脉冲流动不会强化换热,脉冲流动只是使瞬时速度、温度和Nu绕相同Re下的稳态流动时的数值波动。数值分析了带有内环肋的圆管中层流脉冲流动对流换热,表明脉冲流动改变了相邻两环肋间的涡流,从而可明显的使换热强化。而且,存在最佳无量纲角频率,最佳无量纲角频率随Rem的增大而增加。对空气低速绕流振动圆柱的对流换热进行了数值模拟,圆柱以正弦函数形式垂直于来流方向振动。计算结果表明,圆柱振动可使换热显著强化,在所计算的工况下,最大可使换热强化9倍。而且,振动是否强化换热还存在临界振动参数。采用周期平均的方法,推导了脉冲流动和绕流振动圆柱时对流换热的场协同关系式,与稳态时一样,速度场与温度梯度场协同得越好,换热越强。对上述流体振动换热问题进行的场协同分析表明,流体在平行平板通道和圆管内流动时没有垂直于换热壁面方向的速度分量,脉冲流动只是使流体在平行于换热壁面方向上脉动,场协同数的周期平均值与稳态流动时相等,因此,从周期平均的角度看,脉冲流动不能使换热强化;而流体在带有内环肋的圆管中流动或绕流振动圆柱时均存在垂直于换热壁面方向的速度分量,脉冲流动或圆柱振动使流体在垂直于换热壁面的方向产生脉动,改善了速度和温度梯度场的协同,从而使换热强化。因此,通过流体脉动方式进行强化传热时,应使流体脉动能改变垂直于换热壁面方向的速度分量。
论文目录:
第1章 引言
1.1 研究背景
1.2 对流换热强化技术的发展及分类
1.3 脉冲流动对流换热研究现状
1.3.1 层流脉冲流动的速度分布
1.3.2 脉冲流动对流换热研究现状
1.4 壁面振动对流换热研究现状
1.5 场协同理论概述
1.6 本文研究内容
第2章 场协同理论及其在周期性非稳态条件下的应用
2.1 场协同理论
2.2 非稳态外掠平板对流换热的场协同关系式
2.3 平行平板通道内对流换热的场协同关系式
2.3.1 稳态层流换热
2.3.2 层流脉冲流换热
2.4 圆管内对流换热的场协同关系式
2.4.1 稳态层流换热
2.4.2 层流脉冲流换热
2.5 流体绕流圆柱对流换热的场协同关系式
2.5.1 绕流静止圆柱换热
2.5.2 绕流振动圆柱换热
2.6 小结
第3章 平行平板通道内脉冲流动对流换热分析
3.1 平行平板通道内脉冲流动的速度分布
3.1.1 动量方程及边界条件
3.1.2 速度分布的复数解
3.1.3 瞬态速度分布的特点
3.1.4 截面平均瞬态速度
3.2 平行平板通道内脉冲流动的温度分布
3.2.1 能量方程及边界条件
3.2.2 能量方程的解
3.2.3 努塞尔数
3.2.4 场协同分析
3.3 数值模拟
3.3.1 等热流热边界
3.3.2 等壁温边界
3.4 小结
第4章 圆管内层流脉冲流动对流换热分析
4.1 管内层流脉冲流动的速度分布
4.1.1 动量方程及边界条件
4.1.2 速度分布的复数解
4.1.3 无量纲瞬态速度分布的特点
4.1.4 截面平均瞬态速度
4.2 管内脉冲流动的温度分布
4.2.1 能量方程及边界条件
4.3.2 能量方程的解
4.2.3 努塞尔数
4.2.4 场协同分析
4.3 数值模拟
4.3.1 等热流热边界
4.3.2 等壁温热边界
4.4 小结
第5章 带内环肋圆管层流脉冲流动对流换热数值分析
5.1 概述
5.2 物理模型及计算参数
5.3 计算结果分析
5.3.1 压力波动
5.3.2 流函数分布
5.3.3 周期平均径向温度分布
5.3.4 努塞尔数和摩擦因数
5.4 场协同分析
5.5 小结
第6章 流体低速绕流振动圆柱对流换热的数值分析
6.1 计算模型及计算参数
6.1.1 计算模型
6.1.2 计算参数
6.2 计算结果
6.2.1 空气绕流静止圆柱的换热
6.2.2 空气绕流振动圆柱的换热
6.3 壁面振动强化换热原因分析
6.3.1 壁面振动引起的速度分布和温度分布变化
6.3.2 壁面振动强化换热的场协同分析
6.4 小结
第7章 结论
参考文献
致谢
声明
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果
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发表的学术论文
发布时间: 2006-06-29
参考文献
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