脉动流中振动圆管外对流换热的数值分析及实验研究

论文摘要

流体脉动换热和壁面振动换热是非稳态换热中两种比较常见的换热方式,很多学者对它们的传热特性进行了大量的研究,研究结果表明：流体脉动和壁面振动均能使换热得到明显强化。但对于流体脉动和壁面振动共同作用下传热特性的研究较少,本文通过实验和数值模拟研究了脉动流动中壁面振动换热的问题。在搭建的脉动流中单管振动换热实验系统上,对流体平均流速、流体脉动振幅和频率、圆管振动频率等因素对换热的影响进行了研究。实验结果表明：表面传热系数随着流体脉动频率的增加而增大,在低频率时,其增大幅度较快,随着频率的增加,其增大幅度减缓；随着流体压力波动的加剧和流体脉动振幅的增加,流体脉动对表面传热系数的影响增强；当入口流体速度一定时,流体脉动频率存在一个最佳值,使表面传热系数达到峰值；流体平均速度和圆管振动频率的增加均能使表面传热系数增大。数值模拟了入口为脉动流动,简谐振动单管外表面上的对流换热过程,模拟结果表明：在平均流速较低时,当脉动频率等于漩涡脱落频率时,表面传热系数会出现第一个峰值,当脉动频率等于圆管振动频率时,表面传热系数会第二个峰值,并且第一个峰值要低于第二个峰值,说明漩涡脱落对表面传热系数的影响要小于圆管振动对表面传热系数的影响；流体平均速度增加,表面传热系数明显增大,漩涡脱落和圆管振动对表面传热系数的影响减弱；流体脉动振幅增加,表面传热系数增大；通过比较边界层内速度与表面传热系数的变化趋势,发现表面传热系数的变化滞后于边界层内流体相对于圆管在法线方向上速度分量的变化,但二者的变化趋势基本一致,本文认为正是由于边界层内流体相对于圆管法向速度分量的增加,导致了表面传热系数的增加；边界层内相对法向速度分量的增加是由于脉动和振动导致的沿圆管表面二次流和漩涡脱落强度的增加；圆管附近湍流度的变化与表面传热系数的变化基本一致,本文认为圆管附近的湍流度可以实时反映表面传热系数的变化情况。对入口为脉动流动,作简谐振动的顺排和叉排管束的对流换热进行了数值模拟,模拟结果表明：与脉动流动中振动的单管换热相比,位于中间位置的振动管束的表面传热系数受漩涡脱落的影响更大；流体脉动对管束换热的强化效果小于其对单管振动换热的强化效果。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 符号对照表
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 壁面振动换热的研究现状
• 1.2.1 壁面振动换热的实验研究现状
• 1.2.2 壁面振动换热的数值计算研究现状
• 1.2.3 壁面振动换热的应用
• 1.3 流体脉动换热的研究现状
• 1.3.1 流体脉动换热理论分析
• 1.3.2 流体脉动换热实验研究
• 1.3.3 流体脉动换热数值计算
• 1.3.4 流体脉动换热的应用
• 1.4 本课题研究内容和意义
• 第二章 脉动流下单管振动对流换热的实验研究
• 2.1 双管路实验系统的选择
• 2.2 实验系统
• 2.3 实验段温度测点布置
• 2.4 实验数据的处理与误差分析
• 2.4.1 实验数据处理
• 2.4.2 误差分析
• 2.5 实验结果
• 2.5.1 实验系统中脉动流动的波形特征
• 2.5.2 表面传热系数的分析
• 2.6 实验缺点
• 2.7 本章小结
• 第三章 脉动流下单管振动对流换热的数值模拟
• 3.1 数值计算模型
• 3.1.1 问题描述
• 3.1.2 数学模型
• 3.2 边界条件设置与网格划分
• 3.2.1 边界条件设置
• 3.2.2 网格划分
• 3.3 数值模拟有效性验证
• 3.3.1 圆管振动瞬时解的一阶近似验证
• 3.3.2 圆管振动的实验验证
• 3.4 结果及讨论
• 3.4.1 瞬时表面传热系数的分析
• 3.4.2 稳定流动下振动圆管外的对流换热
• 3.4.3 平均表面传热系数的分析
• 3.4.4 边界层内速度与表面传热系数的关系讨论
• 3.4.5 流体脉动强化圆管振动换热因素的讨论
• 3.4.6 湍流度与表面传热系数的关系讨论
• 3.5 本章小结
• 第四章 脉动流下管束振动对流换热的数值模拟
• 4.1 顺排和叉排管束网格划分以及边界条件设置
• 4.2 顺排管束的结果及讨论
• 4.3 叉排管束的结果及讨论
• 4.4 本章结论
• 第五章 全文总结
• 5.1 主要工作和结论
• 5.2 主要创新
• 5.3 主要不足
• 附录
• 圆柱一阶近似解中心差分的MATLAB的C语言
• 参考文献
• 在读硕士期间发表的论文
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表