（流体力学专业论文）脉动流场下波壁管内质量传递强化的影响因素分析.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 高效低耗的传质传热装置在生物、化工等领域里的反应器以及换热器的设计当中有着 非常广泛的应用。如何在较低流速条件下获得较高的质热传递速率便成为应用中的一个突 出问题。作为质热传递设备的基本单元，许多研究者对各种二维和三维流路进行了研究。 相对于二维流路中定常流、脉动流以及三维流路中的定常流这些己广泛用于工程实践的成 熟的研究结果，三维流路中尤其是伴有反向流的脉动流还没有详细的探究。本研究旨在立 足前人的研究基础上，拟采用电化学方法和可视化法，通过实验阐明三维波壁管内脉动流 动的操作参数对传递特性的影响，特别关注伴有反向流的情况。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： 第一章主要对前人的研究成果进行了回顾。并将国内外许多学者的研究进行总结。已 有的研究表明在定常流场下二维和三维流路内的研究结果比较成熟，实验结果和数值模拟 比较吻合；在脉动流场下，二维流路的研究比较充分，但三维流路的研究成果较少。 第二章主要介绍了测试系统的组成以及本研究中所用的电化学法和流动可视化法的实 验设备及实验方法，其中流动可视化采用了通过光控照相机记录下的铝微粒的运动轨迹来 显示流动情况的铝尘法，质量传递速率采用电化学方法。 第三章给出了实验结果。通过固定净流动雷诺数腿，振动分率p 和振动频率& 这三 个操作参数中的任意两个得出另一参数对质量传递强化因子e 的影响。实验结果表明质量 传递强化因子e 在中等净流动雷诺数下最大，而在较低和较高的净流动雷诺数下则减小； 在振动分率，1 时变化不显著，当， 1 时，在本实验的范围内随着p 增加而加强；除了 中等雷诺数r e 产1 5 4 8 之外，同一雷诺数下当振动分率p 1 时随着振动频率数变化不明 显，当p i 时随着数变化存在一峰值，不同振动分率p 下的最佳& 数几乎都在o 3 0 5 之间。 关键词：脉动流；质量传递强化；波壁管；可视化；电化学方法 脉动流场下波壁管内质量传递强化的影响因素分析 a n a l y s i so f t h ee f f e c tf a c t o l so nm a s s l r a n s f e re n h a n c e m e n ti naw a v y - w a l l e d t u b ef o r p u l s a t i l ef l o w a b s t r a c t t h eh i g h e t t i c i e n e yh e a ta n dm 璐i z d l l s f e rd 刚c 髓艟w i d e l yu s e di nt h ef i e l d so f b i o c h e m i c a l 蜘酉m 痂g ，s u c h 雒d e s i g n so f r e a c t o ra n de x e l a a n g e r t b cp r o b l e mt h a th o wo b t a i n s e f f e c t i v em a s si a n s f e rr 毗e si nt h ec o n d i t i o no fl o wt l o wr a t eh a sb e e np a i dl n o r ea n dm o r e t l t t e l m o i la st h eb a s a ld e m e n to f h e a ta n dm a s st i * d l 栅e rd e v i c e s ，m a n y i n v e s t i g a t o r s h a v ed e v o t e d t h e i r se f f o r t st ol l a es t u d i e so nt h ee l m n e l so rt u b e s t h e r e 眦m a n yr e s u l t st h a th a v eb e e nu s e d i n t op r a c t i c a l 铋g i i l 喇n gf o rs 吣f l o w 锄d p u l s a t i l l of l o wi nt w o - d i m e n s i o n a le h a r m e i s b u ti t h a sn o te n o u g hs t u d i e sf o rp u l s a l i l ef l o wi nt h en i b e i np a r t i c u l a rw i t h 职e 髓f l o w b a s e do nt h e 阱r i o u sr e s u l t s ，t h ep r e s e n ts t u d i 2 sd e s c r i b et h ee f f e c to f t r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i co i lf l o wp a r a m e t e r s f o r p u l s a l i l e f l o w i n t l a e t u b e b y n l e 锄s o f e l e e l r o e b e m i e a l m e t h o d a n d f l o w v i s - u a l i t 碰o n t e c h n i q u e w ee s p e e i a u yf o c u s0 nt h ec o n d i t i o n sw i t hr e v a t * s ef l o w m a i nc o n t e n t so f t h i sd i s s e r t a t i o n 黜a s f o l l o w s ： i nc h a p t e r1 t h ep i 耐o u ss t u d i 0 4 3h a v eb e e nn w i c 啊蟹正t h e s es t u d i e si n d i c a t et h a tt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa g r e ew i t ht h er e s u l t sn u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o rs t e a d yf l o wi nt h ee h a t m e l f o r p u l 卿i l ef l o wi nt h ec h a n n e l , ag r e a td e a lo f s t u d i e sh a sb e e nd o n e h o w e v e r , t h e r e 躺f e wr e s u l t s f o r p u l s a t i l e f l o w i n t h e t u b e i nc h a f e r2 ，i ti m r o d u e c st 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 吼自a 吐t e c h n i q u e s a p p l i e dt ot h ee u l r e ms t , | d y 黜g i v 凯a n dt h ef l o wp a t t e r n sf l l * e 、，i 飙m i 砌b yt h ea l u m i n u md u s t m e t h o d m a s st r a n s f e rr a t e si n e l t s u r e db yt h ee l e e l r o c h e m i e a lm e t h o d c h a p t e r3d e s c r i b e st h e 麟p e f h n 肋t a lr e s u l t s 1 1 艟e f f e c to ft h en l a s si d n s f e l e l l h a n c e m e n to n o n eo ft h r e ep a r a m e t e r , t l l a ti sr e s 只s t , w h e nt h eo t h e r s 躺f i x e di sd i s c u s s e d i ti sf o u n dt h a t m a s si i a n s f c re n h a n c m e n tf a c t o rei so p t i m a lv a l u e 砒t h em e d i u m r e y n o l d sn u m b e r i i o w e v e i ， t h e r e 戤s 1 3 3 a l l c rv a h l e so f ea tl o wo rh i g hr e y n o l d sn u m b e r s m a s sl l 缸s f e re n h a n e 朗a e n tf a c t o r i sn o tr e m a r k a b l ee l s ea tt h eo s e i n a t o r yf l a c t i o no ft h ef l o wr a t ep 1 - i no u i e x p e r i m e n t a l r a l l g c s t h em a s sl l i m s f c , r 幽e e m e n tf l t c t o l i n c r e a s e sw i t ht h eo s c i l l a t o r yf l l t c t i o l lo f t h ef l o wr a t e a tp i e x c e p tf o rn e tf l o wr e y n o l d sm a - a b e rr e 产1 5 4 8 ，w h e np 1 ，t h em a 豁i r a m f e r e a l - , a n e e m 雠f l 猫t o r i s as l i 班v a r i e t y w i t h s t r o u l , a l n u m b e r a t t h es a m e r e y n o l d s m m a b e r a t p i ， t i m ei sa p e a kv a l u eo f s l r o u h a ln u m b e ra n di t sv a l u ei si nt h e 瑚g eo f 0 3 - t ) 5 毋，吼f o rd i f f e r e n tp k 黟w o r d s ：p u l s a f i l ef l o w , m a s st r a n s f e re z ：l 妇a e e m e n t ，w a v y - w a l l e dt u b e ，f l o wv 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 lm e t h o d 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者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：l 衄日期：砂。7 4 0 l 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权 使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编学位论文。 作者签名： 聊虢主趱w - - flli 导师签名：! ：心 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究背景 髓着经济的快速发展，我国承载了越来越重的能源和环境压力。国家鼓励开发、利用 新能源和可再生能源，同时大力降低资源消耗，提高资源利用效率。节能是国家发展经济 的一项长远战略方针，建设节约型社会，是世界各国可持续发展的共同方向，对于我国显 得尤为重要和紧迫。 质热传递过程在实际工程中随处可见，高效低耗的传质传热装置在医学、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。特别是考虑到诸如管式生物化工 反应器，血液充氧仪以及人工心肺机等装置在处理具有高粘度，易受损害的含有生物活体 细胞的流体时，如何在较低流速条件下获得较高的质热传递速率便成为应用中的一个突出 问题。作为质热传递设备的基本单元，许多研究者对各种二维和三维流路进行了研究，大 量的实验和数值研究表明流体的振动与流动分离的结合可以极大地提高传递速率。这些研 究成果有的已广泛她用于工程实践，对设计开发高效、轻巧、安全、节能的质热传递设备 产生了积极的影响。下面回顾一下前人的研究成果。 1 2 成果回顾 1 2 1 定常流场下二维流路内的质量传递强化 二维流路是指横截面为矩形的流路。人们对二维流路内的流体流动及传递强化进行了 很多研究，其中比较典型的二维流路见图1 1 。 n i s h i m u r a 等1 1 1 【2 】对正弦和弧形两种壁面形状不同的流路进行了研究，发现从层流到 过渡流在两种壁面中流动发展得完全不同，如图1 2 所示。低缸数时，两种壁面流路 内都能呈现出清晰的二维流动，随着船数的增加，在弧形壁面中能观察到一种新的流 动结构，而在相同的胎数下，正弦壁面流路内贝g 呈现稳定的层流，这表明与正弦壁面 相比，弧形壁面里发生的湍流比正弦壁面大为提前。 脉动流场下波壁管内质量传递强化的影响因素分析 正弦流路 2 21 3 沟橙流路 图1 1 典型的二维流路 图1 2r e = 2 0 0 时两种流路内的流动状态 f i g 1 2 t w o f l o ws m m t l m s i n - s h a p e a a n d w a v y - w a l l e d c h a n l s a t r 一2 0 0 2 大连理工大学硕士学位论文 n i s h i m u r a 等还考虑了不同壁面流路内质量传递长度的影响，结果如图1 3 所 示。质量传递长度是衡量质量传递速率的长度标准，这里把单位波长( l t ) 作为质量 传递长度基准。在一个质量传递系统中，当流动发生分离时将引起浓度边界层的更 新，此时弧形壁面比正弦壁面有更大的传质速率，可以看到对于两种壁面通道，高船 数下质量传递长度的影响将降低。流动分离能导致层流下质量传递速率的提高。 图1 3 正弦波壁流路( a ) 和弧形流路( b ) 内质量传递长度对砌数的影响 f i 昏1 3 e f f e c t o f m a s s m m s f e r l e n g t h o n s t l w i t h d i f f e r e n t r e i n w a v y - w a l l e da n d m v - s h a p e d c h a n n e l 图1 4 表示了n i s h i m u r a 等 3 1 对二维波壁流路内质量传递进行的实验研究结果，很明显 在层流流域内，二维波壁流路的质量传递速率同直壁流路相当，但是在流动变得不稳定以 后，波壁流路内的质量传递速率显著增加。在层流流域内，平均砌数与如数的1 3 次幂 成正比，而在不稳定流域，平均砌数与船数的3 5 次幂成正比。 r 图1 4 平均s h 数随r e 数的变化图 f i g a 4 a v e r a g e s h e r w o o d n u m b e r v s r e y n o l d s n m n b e r 3 一 脉动流场下波壁管内质量传递强化的影响因素分析 从图1 4 还可以看到在二维直壁流路中，砌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，砌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微。 在流动进入不稳定状态后，对于任何传质长度的波状通道，砌几乎相等。但在层流 区，情况有所不同，虽然可以看出传质长度不同的影响，但所有波状通道的砌数明 显高于直壁通道。 由于流动的不稳定性与传递强化密切相关，所以人们还特别关注了二维流路内的 不稳定流动特征。研究发现：当雷诺数超过一个临界值时，流动状态由稳定向不稳 定转变，此时在流路中可以观察到一种周期性的扰动现象，被称为t o l l m i e n - s c h l i c h t i n g 波( t - s 波) 5 】同阴，大量的研究证实，t - s 波是所有二维流路中流动的 一个共性，t - s 波所具有的固有频率被称之为自然频率。图1 5 表示的是由染料注射 法得到的波壁通道内的t - s 波照片和速度随时间呈周期性变化的结果。 1 1 m e ( a ) 蕾- - 1 2 5 可m e c ”r z - - 4 0 0 图1 5 波壁通道内的过渡流可视化及速度随时间变化的曲线图( t - s ) f i g 1 5 t - s w a v e s a n d 恤- n e h i s t o r i e s o f v e l o c i t y i n a w a v y - w a l l e d c h m m l ( t - s ) 4 大连理工大学硕士学位论文 焉 ； 看 图l | 6 相同功耗下波壁通道内的质量传递强化 f i g 1 6 m a 嚣伽璐向朋k 叽曙删u n d e r 既l u a l p l m l p 蛔g p q w 胃。o 瑾嘶锄l b r w 缈w 删c l 删e l s 图1 6 是相同功耗下波壁、直壁流路中的质量传递对比实验结果。在低皿数和高船 数下，波壁流路的强化并不明显，但在中等血数时，也就是过渡流的范围内，波壁流路 可以获得较大的传递强化效果。 1 2 2 定常流场下三维流路内的质量传递强化 本研究中的三维流路是指横截面为圆形的流路，对三维流路研究比较早的是直壁圆 管，w y g n a n s k l 与a 盥n p a 辨e 等嘲通过实验较早发现了圆管在过渡流流域内存在不稳定的 间歇性流动特征，当流动由稳定状态向不稳定状态过渡时引发了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 i 斌现象。这是一种不同于二维流路的周期性t - s 波的 不稳定流动现象。随后，s h 掣9 疆过三维数值计算对直壁管内扰动下产生的p u 仃和s h 】g 进行了模拟，如图1 7 所示，这进一步证实了圆管中流动不稳定性的间歇性特征。 图1 7 数值计算得到的p i 坩s l u g ) 的瞬间可视化流型 f i g 1 7 n m 矧删f l o wv i s i | a i i 冽o f i r a t a m m m u s 咖虮日f e r p u 丘( a ) a n d s h 瑶彻 5 脉动流场下波壁管内质量传递强化的影响因素分析 n i s h i m u r a 等1 0 1 对三维正弦波壁管进行了相应的实验研究。所用管路的最大、最小直 径和波长分别与其在二维流路中所用的波壁流路的尺寸相同，目的是使两者的结果易于进 行比较。研究结果如图1 8 所示，当雷诺数超过临界值时，流路中也会出现一种间歇性的 不稳定流动行为，但不同于三维圆直壁流路的p u f f 和s l u g ，也不同于和它尺寸相同的二维 波壁流路所产生的t - s 波。 。八上, a -小k 。奠k肌 一凡一 ff- 。k、& j 。蛾一，话 蠢一 砝。 囫l l 缓饧沥琵留 口蜥酬蛐甜咐 囫l 咖l c l ，t 抵删 图1 8 雷诺数b e = l s o 时壁面剪切应力随时同变化曲线图 f i g 1 8 t i m e v a r i m i o n o f w a l ls h e a r 蛐吲黼砒如= 1 8 0 1 2 3 脉动流场下二维流路内的质量传递强化 所谓脉动流是由在定常流场上叠加一振动流而形成。g h a d d a r 等【1 l 】1 1 2 l - 在发现了二维沟 槽流路中存在t s 波之后，又通过数值方法对脉动流场下的传递过程进行了研究。发现处 于沟槽流路自维持振动频率下的一个很小的振动便能产生显著的混合强化效果，这个现象 被称作共振传递强化。 s t p 图1 9 沟槽通道内的热质传递强化闰1 1 0 共振传递下与p 的关系图 f i e , 1 9 h e a t m m s f c r e n h a n c e m e n t i n a g r o o v e d d 口腓l f i g 1 1 0 r e l a ( k m s h i p b e t w e e n s t a n d p f o r r c s ( m m t t t r a n s p o r t 6 ifi气主凸 大连理工大学硕士学位论文 q 皿d d 一1 3 】通过数值模拟描述了共振强化的两个基本特征：如图1 9 所示，横轴代表 振动频率& ，纵轴代表热量强化因子五，图中反映出最佳的& 数几乎与净流动胎数无 关；另特征如图1 1 0 所示，横轴表示振动分率p ，纵轴表示最佳的振动频率，最佳母 数随振动分率p 在3 0 以内的范围内变化，即振动分率对最佳& 数的影响很小。 q ，= o 0 2 6 图1 1 1 叠加不同的振动频率i 珏时二维流路沟槽内的可视化照片 f i l l 1 1u l 埘翰d 毋删n o w 垤艘吐i 冽册s m d i 彘删岛i n 幽e g r o o v e s q ， 图1 1 2r e = 5 2 5 和振动分率p = o 2 时强化系数e 随i 知交化的熟传递强化 f i g 1 1 2 a p i o t o f t 嘲t 的璐断b 印蚓m e m e 嬲a f t m c t i o n o f , o p a t r e 一 5 2 5 m d p = 0 2 7 脉动流场下波壁管内质量传递强化的影响因素分析 为了证实数值计算的结果，p a y a r a 与g r e i n e ru 4 在沟槽流路中进行了相关实验。他们首 先通过计算确定了所用流路内t - s 波的自然频率, o “, o , v - - - 0 0 8 ) ，然后向定常流动叠加一个包 括, o n 在内的振动频率, o f 。图1 1 l 和图1 1 2 表明从可视化和质量传递结果来看，当, o f 接 近o n 时，即2 ，= o 0 9 2 时通道内的混合状态明显好于另两种情况，传递效果最佳，这个 现象证实了g h a d d a r 的共振传递强化理论。 n i s h i m m - a 等嗍0 0 3 用实验方法对正弦波状通道流路内的脉动流的流动结构和质量传递 特性进行了研究，见图1 1 3 ，强化因子e 随流体振动分率p 的增而增加，另外在大皿数 时，强化因子五随着胎数和流体振动频率影响比较明显，而且在他们所进行的实验范围 内，传递强化随着如数的增加而加强。 图1 1 3 脉动流场下波壁通道内不同艇数时强化因子e 与振动分率p 的关系图 f i g 1 1 3 岫f a c t o r v s o s c m a t 讲y f i 枷o i i m d i f f e r e n t r e y n o l d s n m n b e r s f o r p u l s 蚯l e f l o w i n a w a v y - w a l l e dc h a r a 1 8 大连理工大学硕士学位论文 1 2 a 脉动流场下三维流路内的质量传递强化 对脉动流场的研究也始于圆管。g m s s m m 和t u m a 1 1 对圆管内振动和脉动流场下的传 质强化进行实验研究，结果证实同定常流场相比，脉动及振动流场可以产生明显的强化效 果。 l e e 等i 嘲对正弦波壁流路中的脉动流进行了数值研究发现质量传递强化系数随着胎数 的增加而增加，并且存在一个最优的数，其值与净流动如数有关，并且随着皿的增加 而弱减小，如图1 1 4 所示。 研究还发现与最优的& 数有关的另一重要的因素是通道的波长，最优的数与通道 的波长几乎成反比例，如图1 1 5 所示。 e o 1 o s t 图1 1 4 波壁流路内数对强化系数的影响 f 嬉1 1 4 e f f m o f 鼬c o u h a i n 由盯m a s s m m s f 日l l a 眦锄e i 吐缸a 训叼斌i e dn i b c 9 ( 1 ) h 1 0 0 0 ( b ) q - s 0 5 0 q ) n - - 1 0 0 ( 0 9 k i l _ s o 图1 1 5 不同波数的轴对称波状通道 f i g 1 1 5 a w a v y c h a r a l c l s w 曲d i m 撇吐g e 讲硎c 愀删b e 薅珥 乏o 。毫 1 6 惑 。 l 盘 1 。o o 。 苣 一盘。科，黥 j ! ：森l 彤一k 晕1 o 舯& 神s 一乙= 0 患 a 1 1 0 钠 图1 1 6 不同波数下s t 数对质量传递强化的影响 f i g 1 1 6 t h e e f f e c t o f s u _ i o u h a l 肭彻岫l i 嗽c n b 删踟咖f h 嘶f b rd i 向嘲 g e o m e t r i cw a v en u m b e r s 1 0 一，篇 大连理工大学硕士学位论文 基于上述结果，l e e 认为可以用共振传递强化来解释传递强化过程，显然该研究忽略 了g h a d d a r 等人提出共振强化具有的基本特征。 一4 山 孑3 邑2 凸 l 0 0l23 p 【】 图1 1 7 脉动流场下不同船数时强化系数e 随振动分率，的变化 f 培1 1 7 e n h a n c e m e n t f i l c t o r v s 雠m a t o r y f r a c t i f l o w r a t e 乱d i 丘毫r e m l l e 【n o w m 笋d 出n t a n b e r s 蠡耳 p t l j s a t i l e f l o w 耻【- 】 图1 1 8 当r e = 1 51 ，- - 0 , 4 和尸= 1 o 时强化系数e 随着盛的变化 f i l l 1 8 e n h 锄x 嚣n 壕m f a c t o r v s s 们u h a l n 叫b 盯m r e = 1 5 1 1 1 f】量廷dq醉曲 脉动流场下波壁管内质量传递强化的影响因素分析 o 0 l l 。l 。i 。i 。l l i j ： 2 帅w s v y - w 。a 州l l c d 盎盘路s lj r1 二 r 。l 1 i 1 i i 0 10 争0 3 0 40 50 60 70 80 9l p 【一】 图1 1 9r e = 1 5 1 时最佳数随振动分率p 的变化 f i g , 1 1 9 0 呻n u m s u o u l 【1 a l n 哪b 苜v s c u a 幻r y 丘a c l i o f f l o w 础 n i s h i m u m 等人【聊对脉动流场下正弦波壁管内的质量传递强化进行了实验研究，全面 考察了无反向流条件下( p 1 ) 操作条件的影响，如图1 1 7 和图1 1 8 。研究表明，质量传 递强化系数占随着净流动雷诺数船的增加而增加，并且在净流动雷诺数胎达到过渡流之 前取得最大值；在同一雷诺数如下，质量传递强化系数e 随着振动分率尸的增加而增 加；不同的振动分率p 下都存在一个最佳的数；最佳的数随着振动分率p 而变化， 但变化规律不是线性的，如图1 1 9 所示，上述结果表明，在p 1 o 时与l e e 的数值研究 结果不同，三维波壁管内的脉动流不会发生类似二维流路内的共振传递强化。 以上简要回顾了前人相关研究，纵上所述，二维流路内研究比较充分，数值模拟和实 验结果比较吻合：但脉动流场下三维波壁管内流动的传递特性和强化机理等问题到目前为 止还没有确切的结论，国内外对脉动流场的研究还比较少，在为数不多的研究中，绝大部 分时数值分析，得出的结论缺乏实验的验证。本研究旨在立足前人的研究基础上，拟采用 电化学方法和可视化法，通过实验阐明三维波壁管内脉动流动的操作参数对传递特性的影 响，特别是伴有反向流的情况下，为将来迸一步的研究服务。 - 1 2 o l l，【】害n 大连理工大学硕士学位论文 2 实验设备及实验方法 刁r 。 实验室于2 0 0 3 年2 月开始筹建，2 0 0 3 年1 1 月初步建成，目前实验室的概况如图所 图2 1 实验蔓全貌 图2 2 波壁流路 f i g 2 2w a v y - w a l l e d t u b e 1 3 脉动流场下波壁管内质量传递强化的影响因素分析 图2 3 脉幼装置 f 皓2 3p l u s a t i l ed e 慨 图2 4 脉动装置霉“图 f i 9 2 4p a r t so f p u l s a f i l ed c v i c , e 一1 4 大连理工大学硕士学位论文 2 1 测试系统的组成 测试系统主要由储水箱、离心泵、转子流量计、波壁流路、溢流水箱和热交换器组 成，如图2 5 所示。工作流体由储水箱提供，离心泵从储水箱中抽取工作流体，使其流入 正弦波壁流路，其流量通过大、小转子流量计控制，溢流水箱的作用是消除重力的影响， 工作流体由换热器维持在恒温2 5 。 1 储水箱 5 脉动泵 2 静0 泵3 大流量转子流量计 6 波壁流路7 溢流水箱 图2 5 测试系统示意图 4 小流量转子流量计 8 换热器 2 2 测试段的八| f 可尺寸 以透明有机玻璃为材料制成的测试段由入口段、出口段和正弦波壁流路三部分组成。 入口段和出口段直径均与波壁流路的最大直径相同，入口段的作用主要是使进入波壁流路 的流动获得充分的发展空间，以消除入口效应。如图2 6 所示，波壁流路共由1 4 个波段组 1 5 脉动流场下波壁管内质量传递强化的影响因素分析 成，每个波段波长2 = 1 4 m m ，壁面振幅2 a = 3 5 m m ，最大直径严1 0 m m ，最小直径 d r 。= 3 r n m 。这样，波壁流路的最大直径、最小直径、波长以及壁面振幅就分别与 n i s k a n u r a 在二维流路实验中所用的波壁流路的最大高度、最小高度、波长以及振幅完全 相同，便于将研究结果进行比较。 圆圆 2 = 1 4 m m2 a = 3 5 m m d ，矿1 0 m md m = 3 m m 图2 6 测试段及各模块的几何尺寸 f i g 2 6 d i m e n s i o r b o f t h e w a v y - w a l l e d t u b e m l dd e 恤i l s o f e m p l o y e d m o d u l e s 2 3 沿程阻力测量系统 在沿程阻力的实验研究中，利用u 型管压差计对整体压力差进行测量刚。测量中将u 型管压差计分别与流路入口和出口的测试点相连，如图2 7 所示。进入测试段前的入口长 度为11 3 0 r a m ，两测试点之间的距离为3 6 3 m m 。以水作为工作流体，四氯化碳作为指示 液，利用两者的密度差进行压力差的测定。 1 6 - 大连理工大学硕士学位论文 2 4 流动可视化系统 1 测试点2 u 型管压差计3 波壁流路 图2 7 压力差测量系统 f i g 2 7p r e s s u r ed r o pn m s t n e m e n ts y s t e m 研究中采用的流动可视化方法为铝尘法。铝尘法是指用直径为4 0 t i m 铝微粒作为示踪 粒子与自来水混合制成悬浊液，利用照相机记录下的铝尘的运动轨迹来显示流动情况。该 方法已经被成功地应用于许多定常流场及非定常流场下的可视化研究当中刚囫嘲。流动 可视化系统如图2 8 所示。为了获得轴对称的截面内流体的流动情况，用一个明的应急 灯，使其光源沿一条平行于对称轴方向的窄缝射入所要观察的截面，通常选取第九波段作 为拍摄对象。步进电机( 8 ) 通过齿轮( 7 ) 带动圆盘( 3 ) 旋转，反光螺丝( 6 ) 根据实验 t 要求固定在跟圆盘( 3 ) 相连的中心轴上的某个位置，红外线光源( 5 ) 固定在支座( 4 ) 下方，这样通过改变步进电机( 8 ) 的频率就可以控制强加给定常流场的振动流的频率， 接通相机快门线，每当反光螺丝( 6 ) 旋转到红外线光源( 5 ) 的正前方时，光纤传感器 ( 9 ) 就把光信号瞬间转变成电信号，通过小型继电器( 1 0 ) 传给相机( 1 1 ) ，反复调节 相机的快门和光圈，拍摄到最清晰的流体流动的照片为止。拍摄部分如图2 9 所示。 1 7 脉动流场下波壁管内质量传递强化的影响因素分析 l 脉动泵2 连杆3 圆盘4 支座5 红外线光源6 反光螺丝7 齿轮8 步进电机 9 光纤传感器1 0 微型继电器l l 光控数码相机1 2 波壁流路1 3 储水箱1 4 静0 泵 图2 8 流动可视化系统示意图 f i g 2 8f l o wv i s u a l i z a t i o ns y s t e m 1 8 大连理工大学硕士学位论文 1 步进电机2 齿轮3 反光螺丝4 圆盘 5 红外线光源6 光纤传感器 7 微型继电器8 光控数码相机 图2 ，同步照相示意图 f i g z 9s 血印谢c m 驾舢o f f - - o n 4 1 光源 2 入射狭缝3 破壁流酪4 - 光控散码相机 图2 1 0 铝尘法流动可视化设备图 f i 9 2 1 0f l o w 临叫k 嘶s y a e mo f a l u m 血m - - d u s t m e t h o d 1 9 脉动流场下波壁管内质量传递强化的影响因素分析 2 5 利用电化学方法测量质量传递系数 研究中利用电化学法刚嘲来测定固体壁面和流体问的质量传递特性，下面介绍电化 学方法测量质量传递系数的原理和方法。 当物体与沿着其表面流动的流体之间有动量、热量以及质量传递的时候，上述各种物 理量的通量和它们在流体中的平均值与其在表面上的值之差成比例。而相当于比例系数的 值就称之为各物理量的传递系数或者传递速率。例如： 动量通量： 热量通量： 质量通量： ，= ( 御) 一 ( 2 1 ) 钆= ( 户q r ) 。- ( p c r ) ， ( 2 力 虬= k d 心一q ) ( 2 3 ) 如果表示成以上各形式的话，则锄、幻及而就分别代表动量传递系数、热量传递系 数及质量传递系数，它们都具有速度的单位。g 为主流中的浓度，g 为壁面处的浓度。上 述各物理量的传递过程彼此之间非常相似，在此只考虑质量传递过程。 质量传递系数的测量方法很多，本实验采用电化学方法测定质量传递系数。如图2 1 l 所示，在具有高s c h m i d t 数的k 3 f c ( c n ) 6 _ 水4 f e ( c n ) 6 的水溶液中插入两个镍电极，并把镍 电极通过导线与电源e 相连。两个电极上分别发生如下的电化学反应，从而在回路中产生 电流。 阴极表面( 还原反应) ： 阳极表面( 氧化反应) ： ( 2 4 ) 一2 0 - 大连理工大学硕士学位论文 在如图2 1 1 所示的情况下，如果阳极的表面积与阴极相比大很多的话，那么产生的电 流将由在阴极表面发生的电化学反应( 2 4 ) 的速度来控制。 e j 矿 l 弋i i e 罢篆 i 图2 1 1 电化学反应原理图 f 驴1 ls c l l e m 如d i a 舒o f e 删c a l r e a c l i 0 1 s 电压v 图2 1 2 极限电流一电压关系图 f i l 弘1 2 r e 枷o n s i 岫b e t w e a l 妇l n h 唱t 哪a n d v o l t a g e 阴极表面的电化学反应速率随着外加电压的升高而加快，因此产生的电流将如图2 1 2 电流一电压关系曲线 一 所示的那样增加。随着外加电压的继续升高，产生的电流不再 增加而保持恒定，就会出现如 一。所示的平稳段。这是因为，流向阴极的f e ( c n ) 6 3 的移 2 1 脉动流场下波壁管内质量传递强化的影响因素分析 动速度没有阴极表面发生的还原的反应速度快，因此电化学反应( 2 4 ) 的反应速度便由流 向阴极表面的f e ( c n ) 6 3 的移动速度控制。此时由f e ( c n ) 6 3 移动所产生的电流的大小就对 应于流体的质量传递速度。电化学反应的进行也与离子的移动、扩散、电泳以及对流等其 它条件有关。在强电解质n a o h 存在的情况下，电泳的影响可以忽略；此外，对流的影响 在本反应中也可以忽略，因为在该条件下的氧化还原反应中不存在真正意义上的对流。在 上述条件下，电解电流仅由流向阴极表面的f e ( c n ) ( 3 的扩散速度所控制。这种由扩散控制 的电流白被称之为极限电流。 在上述条件下，f e ( c n ) 6 3 向阴极移动的速度( 即扩散速度) 如下式表示： n 。：一d 攀 o y 另外根据电化学法则，极限电流嵇与物质向壁面的流速帆之间的关系可以表示为： 帆= 岛( 尉) ( 2 7 ) 因此，根据式( 2 3 ) 、( 2 6 ) 、( 2 7 ) ，推导出质量传递系数幻的表达式为： b = i a n , f a ( c b g ) 在扩散控制条件下，电化学反应( 2 4 ) 的反应速度与f e ( c i - 3 的扩散速度相比快很 多，所以阴极表面上的f c ( c n ) 6 3 的浓度g 可看作零。因此质量传递系数i ；d # q - f 式表达， 它和扩散电流成比例 = ( 刚q ) 这里，流体本身的f e ( c n ) 6 - 3 的离子浓度q 由阳极表面的电化学反应( 2 5 ) 决定，可视 为恒定。 实验研究中所采用的电化学方法，代表传质速率的是蕊数，即无因次的传质速率与 扩散电流有关，轳l ，其公式如下： 砌曲d d 眦d = ( f c b a d ) 2 2 - ( 2 1 0 ) 大连理工大学硕士学位论文 其中，幻为扩散电流，f 为法拉第常数，g 为铁氰离子的浓度，z 为传质面积，d 为 铁氰离子的扩散度。 实验中测定正弦波状流路中质量传递系数，图2 1 3 是测试部分，波状流路内的工作 流体由离心泵通过流量计来控制。在电极两端附加的电压是由直流稳压电源提供的，扩散 电流通过标准电阻变换成电压由数字记录仪记录下来。根据下图安装好实验回路并检查标 准电压的输入功率和数字记录仪的输出功率。外加电源从o 1 v 开始，每次增加o 0 5 v ，直 加到1 5 v 为止。每次电压变换后都要待数字记录仪示数稳定后记数。通过改变流量来测 定不同雷诺数下的极限电流。 l 艘壁流路 2 阳极3 阴极4 ，宜流稳压电源 5 标准电阻矗时间平均回路7 记录仪 图2 1 3 传质速率测量系统 传质速率测量系统如图2 1 3 所示，镍制的阴极模块被布置在第九个波段的位置上，阳 极则分别布置在第6 和第1 2 波段，这是因为测量时要保证阳极表面积比阴极表面积大， 把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，除非妇数很低，但本研究不考虑雷诺数非常低的情况。 一2 3 - 脉动流场下波壁管内质量传递强化的影响因素分析 本实验所用电解夜的配制方法为：纯净水4 0 升，红色的 f e ( c n ) 6 寻1 3 1 7 克，黄色的 陋c n ) 6 广1 6 9 克，n a o h1 6 0 0 克均匀混合。电解液在恒温2 5 下，其浓度为8 9 m o l m 3 ， 溶液的数为1 5 7 0 。 2 4 大连理工大学硕士学位论文 3 研究结果整理分析 利用电化学法和可视化法这两种实验手段，重点考察了脉动流场下波壁管内质量传递 强化的影响因素，与定常流场不同，脉动流场的操作条件较多，以下通过整理的实验结果 来揭示其影响。 3 1 参数定义 描述脉动流场的主要参数 2 0 3 鲫有：雷诺数妇，振动分率p ，振动频率的无因次量 以及脉动泵活塞的冲程s 和脉动泵活塞的直径岛。其中前三项是操作参数，后两项是实验 设备的几何参数，本研究重点考察操作参数对其质量传递强化的影响。 净流动雷诺数： r e = p u d m , #( 3 1 ) 其中，p 为工作流体的密度；”为流体在最大横截面处的速度；d j 。为波壁流路的最大直 径，作为特征长度；为工作流体的粘度。 速度甜的计算