（流体力学专业论文）定常流场下波壁流路内的流体流动及质量传递特性.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着科学技术的不断发展，高效率、低能耗的质热传递装置受到人们越来越多的关 注。在这些装置中，周期性扩张一收缩的二维及三维流路得到了广泛的应用。这类装置 的特点是在非湍流流动状态下，利用强制振动或自维持振动产生的不稳定的涡旋与主流 的混合来达到强化质热传递速率的效果。很多研究者对二维及三维流路内的流体力学性 能进行了研究。但是，在流动不稳定性及传递强化机理等方面没有得到公认的结论，特 别是对于三维流路的研究。本论文旨在继承前人成果的基础上，确立本研究基点，即以 实验研究为主。同时辅以适当数值模拟，来考察三维轴对称波壁流路内的流体力学性能 和传递性能，描述流动不稳定性的特点，并与相关研究结果进行比较。本文的主要内容 如下： 第一章主要对前人关于二、三维流路的研究成果进行了回顾。研究表明，在二维流 路内，导致流体从层流过渡到湍流的流动不稳定性由周期性的t - s 波引起。研究还指 出，在中等雷诺数下的过渡流流域内可以获得最佳的传递强化效果，在脉动流场下会发 生共振强化现象。三维圆管的研究结果表明，其过渡流流域的流动不稳定性表现为间歇 性的p u f f 及m u g 现象。由于三维流路与二维流路的截面形状不同，研究者们推测，两 种流路内的流动不稳定性可能不同。 第二章介绍了本研究中所用的实验设备及实验方法。沿程阻力由u 型管压差计测 定；流动的可视化采用了铝尘法和染科注射法；同时对层流流动进行了数值模拟；传质 速率及壁面剪切应力的测量采用电化学方法。 第三章给出了实验结果。首先根据沿程阻力实验结果对流动状态进行了划分。电化 学实验结果表明，壁面剪切应力和传质速率都随着雷诺数的增大而增大，但在不同的流 域内其增大趋势不同，并且在过渡流流域内都存在着一个剧烈的突增。结合过渡流流域 内流动的可视化结果发现，其流动不稳定性呈现出闯歇性的特点，这是二维流路与三维 流路最大的差异。 结论部分对研究工作进行了总结，重点指出传质强化主要受流动不稳定性的影响， 也就是过渡流的流动不稳定性大大提高了质量传递速率。 第四章指出了将来工作的方向。 关键词：定常流场；传质速率；流动不稳定性；可视化；电化学方法 定常流场下波壁流路内的流体流动及质量传递特性 f l u df l o wa n dm a s st r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c si na w a v y w a l l e dt u b ef o rs t e a d yf l o w a b s t r a c t w 曲t h e d e v e l o p m e n t o f s c i e n c ea n d t e c h n o l o g y t h eh i g he f f i c i e n c yh e a ta n d m a s st r a n s f e r d e v i c e sw i t hl o wp o w e rc o n s u m p t i o na r ep a i da t t e n t i o nm o r ea n dm o r e f l o w si nt h e p e r i o d i c a l l yc o n v e r g i n g - d i v e r g i n gc h a n n e l so r n j b e sa r cp r e s e n ti nn u l i l e r o u sa p p l i c a t i o n s t h e f e a t u r eo ft h e s ed e v i c e si st h a tb yu t i l i z i n gt h eu n s t e a d yv o r t e xm o t i o ng e n e r a t e df r o mt h e f o r c e do rs e l f - s u s t a i n e do s c i l l a t i o n ，t h er e q u i r e dh i g h e rh e a ta n dm a s st r a n s f e rr a t e sc a d b e a t t a i n e dw i t h o u tt u r b u l e n tf l o w m a n yi n v e s t i g a t o r sh a v ed e v o t e dt h e i re f f o r t st ot h es t u d i e so n h e a ta n dm a s st r a n s f e rf o rf l o wi nt h ea b o v ec h a n n e l so rt u b e s h o w e v e r t h ef l o wi n s t a b i l i t y a n dt h et r a n s p o r tm e c h a n i s mh a v en o tb e e nc l a r i f i e dy e t t h eo b j e c t i v eo f t h ed i s s e r t a t i o ni so n t h eb a s eo fp r e v i o u si n v e s t i g a t o r s r e s u l t s ，b ym e a n $ o fe x p e r i m e n ta n da c c e s s o r i a ln u m e r i c a l s i m u l a t i o nt of r e dt h eo p t i m u mo p e m l i n gc o n d i t i o n sa n dt od e s c r i b et h em e c h a n i s mo ff l o w i n s t a b i l i t y t o o m a i nc o n t e n t so f t h i s d i s s e r t a t i o n8 r ea sf o l l o w s ： i nc h a p t e rl ，t h ep r e v i o u ss t u d i e so nf l u i df l o wa n dh e a ta n dm a s st r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c si n t w o - d i m e n s i o n a lc h a n n e l sa n da x i s y m m e t r i ct u b e sh a v eb e e nr e v i e w e d n l e s cs t u d i e si n d i c a t e t h a tf o rt h et w o - d i m e n s i o n a lc h a n n e l s ，t h ef l o wi n s t a b i l j t y ，w h i c hl e a d st ot h ef l o wt r a n s i t i o n f r o ml a m i n a rt ot u r b u l e n tf l o w ，i st r i g g e r e db yp e r i o d i c a lt o l l m i e n - s c h l i c h l i n gw a v e m o r e o v e r ， t h es t u d i e ss h o w e dt h a tt h eo p t i m u mt r a n s p o r te n h a n c e m e n tc o u l db eo b t a i n e da tm e d i u m r e y n o l d sn u m b e r i nt h et r a n s i t i o n a lf l o w r e g i m e ，t h em e c h a n i s mo f r e s o n a n te n h a n c e m e n tc a n b eu s e dt oe x p l a i nt h i sp h e n o m e n o n b a s e do nt h ef a c tt h a tt h ei n t e r m i r e n tf l o wi n s t a b i l i t y ，s u c h a sp u f fa n ds l u g ，o c c t l r si nt h es t r a i g h t - w a l l e dt u b ew i t ht h ec i r c u l a rc r o s ss e c t i o n ，i ti se x p e c t e d t h a tt h ef l o wi n s t a b i l i t yi sd i f f e r e n tb e t w e e nt h ew a v y - w a l l e dt u b oa n dt h ew a v y w a l l e dc h a n n e l c h a p t e r2i n 缸o d u c e dt h ee x p e r i m e n t a la p p a r a t u sa n dv a r i o u sm e a s u r e m e n tt e c h n i q u e s a p p l i e dt ot h ec u r r e n ts t u d y n l ef l o wp a t t e r n sa r ev i s u a l i z e dm a i n l yb y t h ea l u m i n u md u s t m e t h o da n dd y ei n j e c t i o nm e t h o d n l cs t r e a m - w i s ev e l o c i t yp r o f i l e sa r eo b t a i n e db yt h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni nl a m i n a rf l o wr e g i m e m a s st r a n s f e rr a t e sa n dw a l ls h e a rs t r e s s e sa r e m e a s u r e d b y t h ee l e c t r o c h e m i c a lm e t h o d c h a p t e r 3d e s c r i b e dt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s f i r s t ，a c c o r d i n g t 0t h e p r e s s u r ed r o p e x p e r i m e n t ，t h ef l o wi s d i v i d e di n t ot h r e er e g i m e s e l e c t r o c h e m i c a le x p e r i m e n tr e s u i t ss h o w t h a tt h ew a l ls h e a rs t r e s sa n dt h em a s s t r a n s f e rr a t ei n c r e a s ew i t h r e y n o l d sn u m b e r ，a n d t h e r ei s as u d d e ni n c r e m e n ti nt m u s i t i o n a lf l o wr e g i m e ，b u tt h et r e n di sd i f f e r e n ti ne a c hf l o w r e g i m e 一i i 大连理工大学硕士学位论文 f l o wv i s u a l i z a t i o nr e s u l tm d i c m e st h a tt h em t e r r m t t e n ti n s t a b i l i t yi sc o m p l e t e l yd i f f e r e n tf r o m t h a to f i nt h et w o d i m e n s i o n a lc h a n n e l n d si st h em o s ti m p o r t a n td i f f e r e n c eb e t w e e nt h ew a v y w a l l e dc h a n n e la n dt h ew a v y - w a u e dt u b e c l l a t e r4s u m m a r i z e dt h ep r e s e n tr e s u l t s ，i ti sc o n c l u d e dt h a tt h er e s o n a n tm a s si z a r l s f e r e n h a n c e m e n td o e sn o te x i s ti nt h ew a v y - w a l l e dt u b e ，t h u s ，t h em a s st r a n s f e re n h a n c e m e n ti n t h ew a v y w a i l e dt u b ef o rs t e a d yf l o wi sf o u n d t os t r o n g l yd e p e n do nt h ef l o wi n s t a b i l i t y ，i e ，t h e i n t e r m i t t e mf l o wi n s t a b i l i t yc o n t r i b u t e st ot h es u d d e ni n c r e a s eo fm a s st r a n s f e rr a t e s o m e p o s s i b l e e x t e n s i o n so f t h ep r e s e n tw o r k a r ea l s og i v e n k e yw o r d s s t e a d yf l o w m a s st r a n s f e r , h o wi n s t a b i l i t y ，v i s u a l i z a t i o n ，e l e c t r o c h e m i c a l m e t h o d i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 作者签名：日期： 一2 q 逝：8 定常流场下波壁流路内的流体流动及质量传递特性 l 绪论 i 1 研究工作背景 高效低耗的传质传热装置在医药、化工领域里的反应器以及换热器等的设计当中有 着非常广泛的应用。特别是在处理某些商粘度、对剪切敏感的含有活体细胞的工作流体 时，如何在较低的流速下获得较高的热量和质量传递速率，减轻或避免由于剪切而造成 的对活体细胞的损害已成为一个亟待解决的课题，为此人们设计出了具有不同壁面形状 的二维和三维流路。由于工作介质在这些流路内的流动不稳定性特征对于质量传递以及 热量传递特性具有至关重要的影响，因此解明流动的不稳定性机理对设计开发出新的高 效、节能且安全的质热传递装置具有十分重要的现实意义。 自1 9 7 3 年b e l l h o u s e 等人开展了对二维弧形流路构成的人工心肺机的研究以后，很 多国内外学者开始了对不同形状的二、三维流路的流动特性、传递特性、不稳定畦机理 的研究。其中，针对二维流路的研究较为全面，在实验和数值研究两方面都取得了丰硕 的成果，且不少已应用于工程实践。下面对前入的研究成果做系统回顾。 1 2 前人研究成果回顾 1 2 1 二维流路内流体流动及质热传递强化 12 1 1 定常流场 本文所指的二维流路是指具有矩形横截面的流路。关于二维流路内流体流动及质热 传递强化的研究很多，研究内容主要集中在流体力学性能、传递性能、流动不稳定性三 个方面。 波形壁面流路( 简称波壁流路) 是研究者们研究得较多的流路之一。n i s h i m u r a 等【l 对如图1 1 所示的二维波壁流路进行了最初的研究，他们通过流动的可视化技术得到了 流动的流型；利用如图1 2 所示的设计测量了流动方向的局部压力差，并且用电化学方 法测定了壁面剪切应力。通过与利用有限元方法得到的计算结果进行比较，得到了实验 研究与数值模拟完全吻合的结果。研究中，根据实验测得的摩擦系数，与雷诺数如的 关系，将流动划分为层流、过渡流和湍流三种流域。在层流流域，涡旋区域随m 数的 增加而扩大，随着m 数的增加，流动进入不稳定区域时，旋涡开始收缩并逐渐趋于一 个极限值。实验结果表明，在层流流域，摩擦系数，与皿数成反比，而进入不稳定状 - 4 大连理工大学硬士学位论文 态后，摩擦系数，与月8 数基本无关，除在进入不稳定状态的初始阶段止跌反涨并达到 一个峰值外，之后基本保持不交。 n = 1 21 21 3 弘 ；k = 1 4 m m 2 0 皇3 ，5 m m 晴n 饵= 1 0 m m w , f h m 盘x 皇8 r c = 9 - 3 r a m 圈1 1 二维对称正弦波壁流路及弧形流路 f i g 1 1s y m m e t r i cw a v y - w a l l e dc h a n n e l a n da r cc h a n n d m m x t 2 矗 、 f t2 国1 2 压力差及壁箍剪切应力的测量图 f i g 1 2m e a s u r e m e n to f p r e s s u r e - d r o p a n dw a l ls h e a rs t r e s s 5 定常流场下波壁流路内的流体流动及质量传递特性 随后，n i s h i m u r a 等 2 1 对质量传递特性和平均、局部酗数进行了实验研究。研究 发现，在层流流域内，二维波壁流路的质量传递速率相对于直壁流路而言并不存在优 势，如图1 3 所示，即在实际工程中，层流流域对促进传递过程的强化几乎不起作用。 但是在流动变得不稳定以后，质量传递速率显著增加。在层流流域内，平均舶数与忍 数的1 ，3 次幂成正比，而在不稳定流域，平均鼢数与胎数的3 5 次幂成正比。在二摊 直壁流路中，勋数受质量传递长度的影响比较明显，尤其是在层流区域。在n i s h i m u r a 所用的流路中，舶数只是在层流区域随质量传递长度的增加而增加，在不稳定流动区 域，质量传递长度的影响变得微乎其徽。图1 4 表示了局部鼢数的变化情况，在最大 截面处，黝数随胎数的增加明显增大，而在最小截面处册数的变化很小。 = u 们 、 c 图1 3 平均s h 数随r e 数的变化图 f i g 1 3a v e r a g es h e r w o o dn u m b e rv s r e y n o l d sn u m b e r 6 大连理工大学硕士学位论文 x ， 图1 , 4 局部鼬数在不同r e 数下的分布曲线 f i g 1 4d i s t r i b u t i o no f l o c a ls h e r w o o d n u m b e ra td i f f e r e n tr e y n o l d sn u m b e r 通过对流动不稳定性的研究发现，流动从层流向湍流转变的过渡流流域具有与层流 和湍流都不同的流动机理。许多研究者对其进行了细致而深入的研究。研究发现，在二 维流路内，当如数超过某一临界值时。流动进入一种自我维持的振动状态，即使在没 有外部激励的清况下，流动仍然按定的& 数和波长振动。由予各种二维流路内流动 不稳定的现象非常相似，人们对这种流动现象进行了大量的实验和数值研究。在此回顾 一下二维直壁流路的研究成果。对予二维直壁流路中的流动不稳定性，g h a d d a r 等人通 过数值模拟发现其表现为周期性的t o l l m i e n - s c h l i c h 垃n g 波( t - s 波) ，即当不稳定流动 发生时，由相互反方向旋转的扰动产生的流动，呈波状向下游行进，即形成t s 波，如 图1 5 所示。利用染料注射法，n i s h i m u r a 等入拍摄到了二维正弦波壁流路中的类似t s 波的自维持振动的可视化照片，如图1 5 所示。随后，n i s h i o k a 等通过实验对平行平板 p o i s e u i l l e 流的不稳定性进行了研究，他们利用一个低噪声的热线风速仪对流路内沿纵向 7 一 定常流场下波壁流路内的流体流动及质量传递特性 各点的速度进行了测量。测量结果表明，在r p 数超过某一临界值后，如图1 7 所示， 各测点的速度变化都表现出正弦波的形式，这与t - s 波的变化规律相同。通过这项研 究，不仅证实了g h a d d a r 等人的观点，而且为后人对二维不规则壁面流路中流动不稳定 性的研究打下了基础。w a n g 和v a n k a 【3 】对n i s h i m u r a 所用流路中的热量传递进行了精确 的数值计算，指出，在过渡流区域中，由于出现了自维持振动，使得层流热边界层变得 不稳定，从而产生了热量传递的强化。而在层流流域，由于热边界层没有被破坏，所 以，即使相对于二维直壁流路也没有明显的强化效果。因此，自维持振动是传热强化的 重要因素之一，而且由于传质与传热的相似性，可以推断出自维持振动对传质过程应该 同样具有明显的影响。 图1 5 二维直壁流路内t - s 波扰动流线 f i g 1 5ap l o to ft h ep e r t u r b a t i o ns t r e a m l i n e sf o ra na r b i t r a r yi n s t a n ti nap l a n ec h a n n e | 图1 6 二维正弦波壁流路内的t - s 波 f i g 1 6t - sw a v e si naw a v e - w a i l e dc h a n n e l 8 大连理工大学硕士学位论文 上壁 二玟 一鼍 、 7 r _ 少 下壁 v 图1 7 二维直壁流路内不同位置处速度箍时间变化图 f i g 1 7w a v e f o r m so f v e l o c i t yf l u c t u a t i o n sa td i f f e r e n tp o s i t i o n s ( r e = 6 0 0 0 ，f = s 2 h z ) y h ( a ) 0 7 ，( b ) 0 7 ，( c ) 0 4 4 ，( d ) - 0 0 1 ，( e ) 0 3 2 ，( f ) - 0 。6 ，( g ) 0 9 3 1 2 1 2 脉动流场 g h a d d a r 等在证实了二维沟槽流路中存在t - s 波之后不久，又通过数值方法对流体 的共振传热强化进行了研究【4 j 】。研究发现，处于沟槽流路自维持振动频率( 即t - s 波 的频率，也称之为自然频率) 下的一个很小的振动便能产生显著的混合强化效果，而且 此时的强化系数在给定的船数下，在考虑的振动频率范围内是极大值，这显示了共振 强化的性质。 为了证实数值计算的结果，研究者们在沟槽流路中进行了相关实验。p a t e r a 【6 】与 g r e i n e r f 7 1 发现，如果把一个与t - s 波自然频率相同的外部振动施加给定常流动，那么即 使在临界雷诺数之前，也能产生明显的质热传递强化效果， 这个现象被称作共振传递 强化。这证实了g h a d d a r 的理论。 - 9 凝黧糕毽黼墓 定常流场下波壁流路内的流体流动及质量传递特一陛 结合对其它形状二维流路的研究结果可以发现刚9 1 ，周期性t - s 波不稳定性是所有 二维流路的共同特点，所以脉动流场下的传递强化过程都可以用共振强化机理来解释。 综上所述，流体振动与流动分离的结合能极大的促进流体的混合，但单一的流体振 动就未必能产生明显的效果，如直壁流路，即使有按t - s 波频率进行的受迫振动发生， 但由于缺少纵向流动，强化效果同样很不明显。因此，利用不规则流路，并合理选择净 流动血数与振动频率对质热传递强化设备的设计和使用非常重要。 1 。2 2 三维流路内流体流动及质热传递强化 所谓三维流路，本研究中指的是具有圆形横截面的流路。对三维流路的研究相对于 二维流路要少得多，虽然研究的深度和广度都无法与二维流路相比，但并不妨碍对有关 研究进行比较详细的阐述。与二维流路类似，研究也主要集中在流体力学性能、传递性 能和流动不稳定性三个方面。 1 2 2 1 定常流场 对典型的三维直壁流路一圆管内的流动的研究进行的比较早，圆管内层流及湍流流 动的特点已经由著名豹雷诺实验得到了揭示，并且己建立了相应的数学描述。但在过渡 流流域，由于对流动不稳定机理缺乏了解，因此始终无法建立相应的模型。w y g n a n s k i 与c h a m p a g n e 等p 】通过实验较旱发现了殿管在过渡流流域内的p u f f 和s l u g 现象，当流 动由不稳定状态向稳定状态过渡时则引发了p u f f 现象，此时2 0 0 0 1 ，也就是速度边界层的厚度远远大于浓度边界层的厚度，所 以在阴极处浓度边界层内的速度分布可认为是线性的，如下图所示： 工作流体和壁面之间的控制方程为： 、， u c 州争叫等，m洲眦。 u ：口) y = s y 矿= 一2 ( 查d x ) j “= j v 壁面 ( 2 1 1 ) ( 2 t 2 ) ( 2 1 3 ) 极 ： 阴 一 大连理工大学硕士学位论文 边界条件 c 2c j o o o ) ，c = 0o = d ) 从公式( 2 9 ) ，( 2 1 1 ) - ( 2 1 3 ) 可导出 s = c wg t = 1 9 0 k o h l d 2 当把阴极表面看作是圆形时，有效直径工为 l = 0 8 1 3 6 d 其中，d 一圆形阴极直径( m ) 。 由式( 2 9 ) ( 2 1 5 ) ，( 2 1 6 ) 可得壁面剪切应力计算公式为 r w = 3 5 5 1 0 。s 心犯0 毋晚c n m 5 其中，“为电解液的粘度。 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) r 2 1 7 ) 25 2 传质速率测量系统 传质速率测量系统如图21 1 所示，镍制的阴极模块被布置在第九个波段，阳极则 分别布置在第6 和第1 2 波段，同时为了保证阳极与阴极表面积的比足够大，以入口段 与出口段的镍管作为辅助阳极。测量的传质长度仅限于第九个波段范围，这是因为根据 二维波壁流路的研究结果，扩散控制的高数的条件下，当分离流发生时，传质长度 的影响可以忽略，除非舶数很低，但本研究不考虑雷诺数非常低的情况。 以特制的电解液作为工作流体，其配制方法为：纯净水4 0 升，红色的f f e ( c n ) d 3 1 3 1 7 克，黄色的 f e ( c n ) 6 r1 6 9 克，n a o h1 6 0 0 克均匀混含。电解液在恒温2 5 。c 下， 其浓度为8 9 m o l m 3 ，溶液的数为1 5 7 0 。根据传质与传热的类比关系，本研究采用的 高& 数下的质量传递系统对应于高抑数下的传热系统，所以，可根据得到的传质系数 求出相应的传热系数。 2 3 定常流场下波壁流路内的流体流动及质量传递特性 1 波壁流路2 阳极3 朋极4 直流稳压电源 5 标准电阻6 时间平均回路7 记录仪 图2 1 1 传质速率测量系统 f i g 2 1 1m a s s t r a n s f e rr a t em e a s u r e m e n t s y s t e m 2 5 3 壁面剪切应力测量系统 如图2 1 2 所示为壁面剪切应力测量系统。两直径为o 5 m m 的铂丝分别插入8 、9 波 段之间最小截面的上、下两侧，作为阴极。阳极为入飘段和出口段的镍管。由于阴极直 径非常小，所以，高& 数下浓度边界层相对于速度边界层非常薄，满足在浓度边界层 内，阴极处的速度梯度是线性分布的假定，而速度梯度可以通过质量传递的控制方程得 到。根据前述的壁面剪切应力测量原理，壁面剪切应力只能在具有单一流向的边界层内 的阴极表面测得，而不能在分离点和停滞点处测得，除非m 数非常低。在本研究中， 仅仅在最小载截面处测量壁面剪切应力，这是因为在中等雷诺数下，最大截面处的分离 流破坏了浓度边界层。测量中所用的电解液与传质速率测量系统中所用的相同。 2 4 大连理工大学硕士学位论文 阴极；| 二 2 1 2 壁面剪切应力测量系统 f i g 2 1 2w a l l s h e a rs t r e s sm e a s u r e m e n ts y s t e m 2 5 阳极 定常流场下波壁流路内的流体流动及质量传递特| 生 3 研究结果及讨论 本部分主要介绍利用各种实验手段得到的研究结果，解明流动及质量传递特性，在 此基础上描述流动不稳定性特点。 3 1 参数定义 为清楚理解上下文，首先对各参数的定义作以解释 雷诺数： r e = p u d 一“ ( 3 1 ) 其中，p 为工作流体的密度；u 为流体在最大横截面处的速度：d 为波壁流路的最大 直径，作为特征长度：为工作流体的粘废。 速度“的计算公式如下： u = 4 q s 叠 其中，函为定常流的流率。 与压力降有关的摩擦系数的定义公式如下 ，= 专孕参 其中，为两测试点闻的距离；4 p 为两测试点间的压力差。 沿程阻力实验中所使用的流体的物理性质列于下表中： 表3 12 5 c t 作流体密度、粘度表 t a b l e3 1d e n s i t i e sa n dv i s c o s i t i e so f u s e d 艋q l l i da t 2 5 c 密度( k g m 3 )粘度( p a s ) 工作流体水 9 9 68 9 6 1 1 0 。4 指示液四氯化碳 1 5 9 6 - 2 6 一 ( 3 2 ) ( 3 _ 3 ) 大连理工大学硕士学位论文 电化学实验中各参数含义及具体值如下表 表3 22 5 c 电解液物理性质及其它参数值 t a b l e 3 2p h y s i c a l p r o p e r t i e so f e l e c t r o l y t e a t2 5 1 2a n do t h e r p a r a m e t e r s 密度p ( k g m 3 ) 1 0 3 7 粘度“( p r o s ) 1 0 9 1 1 0 。 扩散系数d ( n a z i s ) 6 6 8 3 1 0 。o 浓度c b ( m 0 1 m 3 ) 8 9 点电极直径d 5 0 x1 0 - 4 一个波段的内表面积一( m s 3 2 6 x1 0 。4 3 | 2 转子流量计的标定 为了比较精确的控制实验条件，研究中，首先采用称重法，在实验温度2 5 c 下对 转子流量计进行了标定。如图3 1 所示为转子流量计流量q 与实际流量9 之间的关系 图，其关系式如图中所示。为了实际研究的方便，分别根据公式( 3 2 ) ，( 3 1 ) 导出了q - u 和q m 之间的具体关系式，分别如图3 2 ，3 3 所示。 3 3 压力差实验结果 图3 4 给出了摩擦系数厂与雷诺数船关系曲线图。根据摩擦系数随re 数的变化 趋势将流动划分为三个流域。在r e 1 6 0 的低雷诺数区域，摩擦系数，随着肌数的增 加以斜率一1 减小。当1 6 0 r e 2 3 0 时，摩擦系数， 随血数的增加略有下降。与图中虚线所示圆 管的压力差结果相比较可以将流动进行如下划分，雷诺数r e 2 3 0 的区域，尽管由于再循环涡旋的存在，波壁流路中摩擦系数厂随 胁数的变化表现得与圜管略有不同，依然可以将此区域划分为湍流流域：而层流与湍 流之间的区域即雷诺数1 6 0 r e 2 3 0 的流动范围，即为过渡流流域。 由图3 , 4 还应当注意到，以p 。定义的波壁流路的摩擦系数远大于相应的圆管的摩 擦系数，并且由层流向湍流的过渡流流域大为提前。 2 7 - 定常流场下波壁流路内的流体流动及质量传递特陛 1 ，6 1 4 1 2 1 o 鲁 g 喜阻8 9 0 6 0 4 o 2 0 o 铷嬲q 夕1 7 00 2 0 40 60 811 21 41 6 q ( i d m i n ) 图3 1 转子流量计流量q 与实际流量$ 关系图 f i g 3 ir e l a t i o n s h i pb e t w e e n f l o wr a t eo f r o t a m e t e r ( q ) a n da c t u a lf l o w ( q s ) 2 8 大连理工大学硕士学位论文 0 3 5 0 3 o 2 5 o 2 o 1 5 0 1 0 0 5 0 萨o 2 1 2 4 q o 。0 0 1 7 ， 7 一 ? 一 厂 j oo 5 u ( r n s ) 1 5 图3 2 流速脚与转子流量计流量q 关系图 f i g 3 2r e l a t i o n s h i p b e t w e e n v e l o c i t y 以) a n d f l o wr a t eo f r o t a m e t e r ( q ) 2 9 定常流场下波壁流路内的流体流动及质量传递特性 4 0 0 0 3 5 0 0 3 0 0 0 2 5 0 0 1 5 0 0 1 0 0 0 5 0 0 o r e 2 2 3 7 0 5 q 一1 8 6 8 1 | | 7 i f 扩 oo 5 11 522 5 q ( l m i n ) 图3 3 转子流量计流量q 与雷诺数r e 关系图 f i g 3 3r e l a t i o n s h i p b e t w e e nf l o wr a t eo fr o t a m e t e r ( q ) a n d r e y n o l d sn u m b e r ( r e ) 3 0 - 大连理工大学硕士学位论文 1 0 0 0 1 0 0 o 1 0 0 l 0 0 0 1 0 0 0 0 l 三维波壁漉路 一圆管 ，、 1 、勺 翩0 7 9 1 r e l “ 、 、 、 一。一- 巴一 2 3 。 移。 j 1 0 01 0 0 01 0 0 0 0 r e ( - ) 图3 4 摩擦系数，与雷诺数艇曲线图 f i g 。3 4r e l a t i o n s h i p b e 柳e e no v e r a l lf r i c t i o nf a c t o ra n d r e y n o l d s n u m b e r ，3 1 定常流场下波壁流路内的流体流动及质量传递特性 3 4 流动可视化 为了观察流动结构的特点，利用铝尘法和染料注射法两种可视化方法在主流域对第 九波段的流型实施了拍照。照片如下图所示，采用的光圈和快门分别为f 5 6 和1 1 5 秒。 3 4 1 铝尘法 3 4 1 1 层流流动结构特点 图3 5 所示为r e = 1 3 0 时层流流域内的可视化照片。根据拍摄的照片可以看出层 流流域内的流动结构特点，即主流沿着平行于波壁流路的轴线流动，并且在流路的扩张 部分形成了轴对称的涡旋，涡旋的中心位于扩张截面的下游位置。 啼流动方向 图3 5 r e = 1 3 0 时的流动可视化照片 f 蟾3 5f l o wv i s u a l i z a t i o na t r e = 1 3 0 3 4 1 2 湍流流动结构特点 图3 , 6 所示为r e = 3 3 7 时湍流流域内的可视化照片，与层流流域内的流动特点相比 较可以清楚的看出两者的不同。湍流流域内流体流动变得很不稳定，主流不再完全平行 波壁流路的轴线，而是与波峰内的涡旋之间发生了质量交换，流动变得剧烈而无序。 3 2 大连理工大学硕士学位论文 图3 6r e f f i 3 3 7 时的流动可视化照片 f i 9 3 6f l o w v i s u a l i z a t i o na t r e = 3 3 7 3 4 1 3 过渡流流动结构特点 由于在实验中观察到过渡流域内的流动结构不是单一的状态，所以对其进行了连续 可视化。如图3 7 所示为r e = 1 8 0 时过渡流流域内的1 8 张连续流型可视化照片，每张照 片的时间间隔为l 8 秒。根据这些照片可以看出具有层流流动结构( 如第3 6 7 张等) 和湍流流动结构( 如第4 。8 1 3 张等) 以不同的时间间隔交替出现，表现出非周期间歇隆 的特点。此外还存在一种介于层流和湍流之间的流动( 如第1 2 5 张等) 。上述流动行 为共同构成了过渡流流动的特点。 第1 张 3 3 第2 张 定常流场下渡壁流路内的流体流动及质量传递特性 第3 张层流流动 第5 张 第7 张层流流动 一3 4 第4 张湍流流动 第6 张层流流动 第8 张湍流流动 大连理工大学硕士学位论文 第9 张 第1 1 张 第1 3 张湍流流动 3 5 第l o 张层流流动 第1 2 张层流流动 第1 4 张 定常流场下波壁流路内的流体流动及质量传递特性 第】5 张层流流动 第1 7 张 第1 6 张 第1 8 张湍流流动 图3 7 届穿1 8 0 对的流动可视化照片 f i g 3 7h o w ，i s u a l 妇t i o n sa t r 廿= 1 8 0 3 4 2 染料注射法 实验中，将粉红色的指示液经过个商位槽透过压力差测试点注入波壁流路内。通 过改变流量来达到指定的雷诺数。待流动稳定后，进行拍照。 由图3 8 可以看出，在如= 1 3 0 的层流流动条件下，质点做有规律的分层流动，流 动成一直线且平行于对称轴，流层间无质量交换；而在r g = 3 3 7 的湍流流动条件下，染 料一进入波壁流路立即扩散到整个流路，流层间发生质量交换。上述特点与前述层流及 湍流流动的结构特点是一致的。 3 6 大连理工大学硕士学位论文 r e = 1 3 0 r e = 3 3 7 图3 8r e = 1 3 0 ，3 3 7 对的流动可视化照片 f i g 3 8f l o wv i s u a l i z a t i o n sa tr e = 3 3 7a n dr e = 3 3 7 3 5 数值模拟 为了能够对得到的可视化结果加以确认，利用f l u e n t 对定常流场下的流动进行了数 值模拟。描述流体流动的纳维斯托克斯方程的无因次形式如下： 暑+ ( 荭v m = 一跖+ 去v 2 蓊 ( 3 4 ) 一般而言。三维波壁流路内的流动是三维问题，但在r e 1 6 0 的稳定流动状态下， 实验表明其流动具有轴对称的特点。因此，可以可将其简化为二维轴对称模型。 计算中给定的边界条件为，入口处速度轴对称均匀分布砬= l ，t = 0 。管壁处为 非滑移条件t = 群= 0 ，出口处任意给定压力值为0 ，且均匀分布。 3 7 定常流场下波壁流路内的流体流动及质量传递特性 图3 9 所示为r e = 1 3 0 时第九波段内最大截面处的轴向速度分布。图中所示的速度 值已被最大速度无因次化。可以看出，主流部分的速度分布呈现出抛物线的形状。而在 靠近两壁面处，速度出现了负值，表瞻这两部分区域出现了反向流，产生了旋涡。 s 善 、 ， j 0 500 5 u u 一( 一) 图3 9r e = 1 3 0 时最大截面处轴向速度分布曲线图 f i g 3 9a x i a lv e l o c i t yp r o f i l e sa tt h em a x i m u m c i r c u l a rc r o s ss e c t i o na tr e = 1 3 0 图3 1 0 所示为r e = 2 0 ，1 3 0 时第九波段内的数值模拟流线图。可以看出在r e = 2 0 时即发生了流动分离。这个雷诺数低于二维波壁流路1 2 0 ，表明三维波壁流路内较易发 生流动分离。随着雷诺数皿的增大，再循环涡旋逐渐扩大，并且其中心由上游向下游 移动。 把图3 1 0 得到的r e = 1 3 0 流线图与图3 5 的r e = 1 3 0 的可视化照片相比较，很明显 二者具有较好的一致性。