（流体力学专业论文）波壁管内的脉动流动及其传质特性的实验和数值模拟.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 随着科学技术的进步，现代工业得到飞速发展，同时人们也面临着越来越严重的能 源短缺和环境污染问题。如何降低工业装备的能量消耗、在现有基础上进一步提高热量 质量传递设备的效率、进而减轻对环境的不良影响十分重要。另外，随着大量高粘度、 具有生物活性的流体介质越来越多地出现在生物化工、制药以及生命医学等领域，也亟 待找到一种在低剪切层流条件下的热质传递强化技术。提高传递设备的效率和促使设备 单元的小型化与微型化，采用脉动流动技术是实现质量传递过程强化的重要途径。 由于目前尚未搜索到有关伴随反向流的脉动流动对传质强化影响的研究报导，因此 本文以波壁管为研究对象，采用电化学技术完成了波壁管内不同控制参数下的质量传递 速率测量，并提出了伴有反向流的脉动流动的质量传递强化机理；采用铝粉法流动可视 化技术与定时刻拍照技术相结合的手段完成了对伴随反向流的脉动流动的流动结构观 察，研究了不稳定流动对传质强化的影响；利用f l u e n t 软件及其二次开发接口，对 一些实验测量不能观测的物理量进行了数值分析，为研究波壁管的传质性能提供了一种 新思路。 为了观测波壁管内伴随反向流的脉动流动特性，设计加工并组建了波壁管、脉动装 置和可视化及图片记录系统装置等以满足研究需要。通过测量定常流场下的流体力学性 能，得到了波壁管内不同流动状态的临界雷诺数等标志量；等功耗条件下波壁管与直壁 圆管的比较结果表明，当流动进入过渡流流域后，波壁管具有更好的质量传递性能。 系统研究了控制参数对伴有反向流的脉动流场下的质量传递强化的影响，并发现， 在一定的脉动流振动分率范围内，质量传递强化效果随振动分率的增加而增强；最有效 的质量传递强化发生在净流动进入过渡流流域之前的中等雷诺数下；与最大传递强化效 果对应的最佳振动频率随净流动雷诺数的增加而减小，且几乎与流量的振动分率无关。 据此提出了伴随反向流的脉动流场下的质量传递强化机理，即当入口速度和波长的比值 接近脉动振动频率时会产生最有效的质量传递强化效果，并据此得到了确定最佳操作条 件的依据和方法。 为建立传质强化与不稳定流动之间的联系，对伴有反向流的脉动流动进行了可视化 研究，结果发现，一个脉动周期内同时存在稳定和不稳定两种流动现象，而不稳定流动 状态持续的时间越长，无序混合越强烈，对应的质量传递强化效果就越好。这表明不稳 定的流动结构对质量传递强化的贡献最大。 作为实验研究的验证和补充，数值模拟给出了系列分析结果。数值结果不仅与现有 的实验结果吻合，同时说明了数值结果和实验结果的合理性，而且得到了实验测量很难 正弦波壁管内的脉动流动及其传递特性的实验研究与数值模拟 观测的物理量，如流动分离、涡强度、浓度分布等。结果发现，脉动流动比定常流动更 早发生流动分离；涡强峰值总是出现在惯性控制的中等振动频率下；浓度边界层的分布 与质量传递强化过程相对应。研究结果表明，脉动流动技术是实现传质强化的有效手段 之一，同时涡强度与浓度分布均可反映质量传递过程，为探究其它管内的传递性能提供 了新思路和新方法。 关键词：波壁管：脉动流场：反向流动：电化学技术：质量传递强化 大连理工大学博士学位论文 e x p e r i m e n t a la n dn u m e r i c a ls t u d y o np u l s a t i l ef l o wa n dm a s st r a n s f e r e n h a n c e m e n ti naw a v y w a l l e dt u b e a b s t r a c t w i t ht h ea d v a n c e m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，m o d e mi n d u s t r yi sd e v e l o p e dr a p i d l y ， t h e nt h ee n e r g ys o u r c es h o r t a g ea n de n v i r o n m e n tp o l l u t i o na r eg e t t i n gm o r ea n dm o r es e r i o u s i ti se x t r e m e l yi m p o r t a n tt or e d u c ep o w e rc o n s u m p t i o n ，i m p r o v eh e a ta n dm a s st r a n s f e rr a t e a n dl e s s e nt h eb l i g h to fs u r r o u n d i n g s f u r t h e r m o r e ，ah i g h e rh e a ta n dm a s st r a n s f e r e n h a n c e m e n tt e c h n i q u ew i t h o u tt u r b u l e n tf l o wn e e dt ob ef o u n du r g e n t l yb e c a u s en u m e r o u s h i g hv i s c o u sa n db i o l o g ya c t i v el i q u i dm e d i u m sc o m ef o r t hi nb i o c h e m i c a l ，p h a r m a c ya n d b i o m e d i c a lf i e l d t h eh i g h e re f f i c i e n c ya n dm i n i a t u r i z a t i o no ft r a n s f e rd e v i c e sa sw e l la s p u l s a t i l ef l o wa r em a i nm e a n sf o ra c h i e v i n ga b o v ea i m s t od a t e ，t h e r ei sn oe x p e r i m e n t a ls t u d yo np u l s a t i l ef l o ww i t hb a c k w a r df l o w u t i l i z i n g e l e c t r o c h e m i c a lt e c h n o l o g y ，t h em a s st r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c sf o rp u l s a t i l ef l o ww i t hb a c k w a r d f l o wu n d e rd i f f e r e n tc o n t r o l sp a r a m e t e r si nat h r e ed i m e n s i o n a lw a v y w a l l e dt u b ea r e d i s c u s s e d ，a n dt r a n s f e re n h a n c e m e n tm e c h a n i s mi sb r o u g h to u t t h ef l o ws t r u c t u r e sa r e o b s e r v e du s i n ga l u m i n u md u s tm e t h o da n dt i m i n gf l o wv i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g y ，t h u st h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nu n s t e a d yf l o wa n dm a s st r a n s f e re n h a n c e m e n ti se x p l o r e d s u b s e q u e n t l y ， s o m ep h y s i c a lq u a n t i t i e s ，w h i c hc a n n o tm e a s u r e dt h r o u g hp r e s e n te x p e r i m e n ts y s t e m ，a r e s i m u l a t e dw i t hs o f tf l u e n ta n di t ss e c o n dd e v e l o p m e n ti n t e r f a c e ，t h e r e f o ras i g n i f i c a n t r e f e r e n c ei so b t a i n e df o rt h ee x p l o i t u r eo fh i g h e rt r a n s p o r td e v i c e sa n dp r a c t i c a le n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n s t oi n v e s t i g a t et h ec h a r a c t e r i s t i c so fp u l s a t i l ef l o ww i t hb a c k w a r df l o w ，ae x p e r i m e n t a l s y s t e m i s d e s i g n e da n dc o n s t r u c t e d ，i n c l u d i n g aw a v y - w a l l e dt u b e ，p u l s a t i l e d e v i c e ， v i s u a l i z a t i o ne q u i p m e n ta n ds oo n t h e nc r i t i c a lr e y n o l d sn u m b e r sa n df l o ws t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i c sa r ef o u n da n dd e s c r i b e d m o r e o v e r ，m a s st r a n s f e rp e r f o r m a n c eu n d e re q u a l p u m p i n gp o w e rc o n d i t i o ni se x p l o r e df o rw a v y w a l l e da n ds t r a i g h t w a l l e dt u b e s t h er e s u l t i n d i c a t e st h a tt h e w a v y w a l l e d t u b eh a sah i g h e rt r a n s f e rp e r f o r m a n c ea f t e re n t e r i n g t r a n s i t i o n a lf l o wr e g i m e t h ee f f e c to fc o n t r o l sp a r a m e t e r so nm a s st r a n s f e re n h a n c e m e n tu n d e rp u l s a t i l ef l o w w i t hb a c k w a r df l o wc o n d i t i o ni si n v e s t i g a t e d i ti sf o u n dt h a tt r a n s f e re n h a n c e m e n ti s i n c r e a s e dw i 也i n c r e a s i n go s c i l l a t o r yf r a c t i o nw i t h i nal i m i t e df r a c t i o nr a n g e t h eo p t i m a l t r a n s f e re n h a n c e m e n ti so c c u r r e di nm o d e r a t er e y n o l d sn u m b e r o nt h eo t h e rh a n d ，t h e o p t i m a lo s c i l l a t o r yf r e q u e n c yv a l u e ，c o r r e s p o n d i n gt ot h eo p t i m a lt r a n s f e re n h a n c e m e n t ，i s i i i 正弦波壁管内的脉动流动及其传递特性的实验研究与数值模拟 d e c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gr e y n o l d sn u m b e r ，w h i c hi n d e p e n d e n to no s c i l l a t o r yf r a c t i o n f u r t h e r m o r e ，m a s st r a n s f e re n h a n c e m e n tm e c h a n i s mf o rp u l s a t i l ef l o ww i t hb a c k w a r df l o wi n aw a v y - w a l l e dt u b ei sp o i n t e do u t ，t h a ti st h em o s te f f e c t i v et r a n s f e re n h a n c e m e n ti so b t a i n e d w h e nt h er a t i oo fi m p o s e di n l e tv e l o c i t ya n dw a v e l e n g hi sc l o s et ot h ef o r c e do s c i l l a t o r y f r e q u e n c y h e r e b yt h eb a s i sa n dm e t h o do fo p t i m a lo p e r a t i o nc o n d i t i o nf o rp u l s a t i l ef l o wa r e c o n f i r m e d i no r d e rt oe s t a b l i s hr e l a t i o n s h i pb e t w e e nf l o ws t r u c t u r ea n dm a s st r a n s f e re n h a n c e m e n t ， f l o ws t r u c t u r e sf o rp u l s a t i l ef l o ww i t hb a c k w a r df l o wa r eo b s e r v e dt h r o u g hf l o wv i s u a l i z a t i o n t e c h n o l o g y i ti sf o u n dt h a ts t e a d ya n du n s t e a d yf l o ws t r u c t u r e sa r ea l le x i s td u r i n go n e p u l s a t i l ec y c l e ，a n dt h eu n s t e a d yf l o ws t r u c t u r e s l a s t sm o r el o n gt i m e ，c h a o t i cm i x i n gi s s t r o n g e r ，m a s st r a n s f e re n h a n c e m e n te f f e c ti sb e t t e r t h e r e f o r e ，u n s t e a d yf l o wc o n t r i b u t e s g r e a tt om a s st r a n s f e re n h a n c e m e n ti nt h ew a v y - w a l l e dt u b e a sav a l i d a t i o na n ds u p p l e m e n to fe x p e r i m e n t a ls t u d y ，s o m ea n a l y s i sr e s u l t sa r eo b t a i n e d t h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h en u m e r i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ei na g r e e m e n t ，a n d s h o w i n gt h e i rr a t i o n a l i t y m o r e o v e rs o m ep h y s i c a lq u a n t i t i e sa r es i m u l a t e d ，w h i c hc a n n o t m e a s u r e dt h r o u g hp r e s e n te x p e r i m e n ts y s t e m i ti sf o u n dt h a tf l o ws e p a r a t i o ni so c c u r r e da t s m a l l e rr e y n o l d sn u m b e rw i t hp u l s a t i l ef l o wt h a ns t e a d yf l o w ，a n dt h ep e a kv a l u eo fv o r t e x i n t e n s i t yi sa l w a y sa p p e a r e di nm o d e r a t eo s c i l l a t o r yf r e q u e n c yd u r i n gd e c e l e r a t i o np h a s ew i t h i n e r t i ad o m i n a t i o n a tt h es a m et i m e ，t h ed i s t r i b u t i o no fc o n c e n t r a t i o nb o u n d a r yl a y e rw i t h d i f f e r e n tf o r c e do s c i l l a t o r yf r e q u e n c yi sa g r e e m e n tw i t ht h ev a r i a t i o no fm a s st r a n s f e r e n h a n c e m e n t t h en u m e r i c a lr e s u l t ss h o wt h a tp u l s a t i l ef l o wi so n eo fe f f e c t u a lm e t h o d sf o r t r a n s f e re n h a n c e m e n t ，b e s i d e s ，b o t hv o r t e xi n t e n s i t ya n dc o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o nc a nb e u s e dt or e f l e c tt h ev a r i a t i o no fm a s st r a n s f e rp r o c e s s ，w h i c hp r o v i d e san e wi d e aa n dm e t h o d f o ro t h e rt u b e s s t u d y k e yw o r d s w a w w a l l e dt u b e ；p u l s a t i l ef l o w ；b a c k w a r df l o w ；e l e c t r o c h e m i c a l t e c h n o l o g y ；m a s st r a n s f e re n h a n c e m e n t i v 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果口尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。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。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：滥显堡因的因丞动蕴勃庭髅磁! 嵫驻冬幽拟 作者签名 ：j 皇l 一日期：耳年上月五日 大连理工大学博士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。可以将 本学位论文的全部或部分内容编人有关数据库进行检索可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目 作者签名 导师签名 日期：幽年上月旦日 日期：驾年上月旦日 大连理工大学博士学位论文 1 绪论 各种流路内的流体流动和热量、质量的传递过程是流体力学研究中的一个重要内 容，澄清其流动特性及传递过程的机理对各种热质传递设备的开发设计有非常重要的指 导作用。本章首先简要介绍本论文的工程背景和选题依据，并在回顾国内外相关研究现 状的基础上，确定本研究的主要工作内容。 1 1工程背景和选题依据 流体力学是一门古老的学科，它是人类为了满足自身生活和生产的需要，在认识和 改造自然的斗争中，随着实践经验的不断积累而逐渐形成和发展起来的【l 】。它主要研究 流体的机械运动规律以及如何运用这些规律解决实际工程问题，是力学的一个重要分 支。同时它更是随着社会的进步而不断发展的学科。许多近现代科学的重大成就都与流 体力学密切相关，从上远古时期的农田灌溉、治水工程，到1 8 世纪造船、航海的崛起； 从2 0 世纪航空技术的发展，到现在生物技术、环境科学的飞速进步，无不显示出流体 力学相关理论的重要性【2 1 。随着近代科学技术突飞猛进的发展，流体力学在工程建设和 工业生产中的应用越来越广泛。流体力学的生命力就在于不断同其它学科领域相结合， 用其自身的学科视角审视其它领域，解决其中存在的问题，同时其自身在解决各种矛盾 问题当中，吸取精华得到不断的发展。 当前流体力学的发展趋势是广泛深入的向交叉学科渗透。能源、环境保护、石油和 化工等领域的流体力学问题逐渐受到广泛重视，其中化工领域的流体问题尤为常见和重 要。众所周知，化工生产中离不开各种各样的流路，而流路的尺寸设计、形状优化、流 体的流动特性等都是流体力学研究的基本内容；碳纳米管、q 形管的应用等是近年来流 体力学的最新研究进展；多相流系统、湍流过程以及伴随着的热量、质量传递过程和机 理等更是近几年化工流体力学研究的重要内容【2 】。这类问题的特点是：尺度小、速度低， 并在流体运动过程中伴随热量、质量的传递过程和现剿3 1 。 更重要的是，随着现代工业的飞速发展，能源消耗量不断增加，能源紧张的状况愈 演愈烈。为缓和能源紧张的状况，世界各国都在寻求新能源及节能的新途径。自2 0 世纪 7 0 年代初中东石油危机爆发以来，以能源为中心的生态环境和社会经济问题日益加剧， 能源的合理利用己成为当今世界各国工业如何良性发展的核心问题。尤其是我国，人口 众多，属于能源消耗大国。我国能源的3 4 是来自煤炭，据国家环保局分析，我国大气环 境污染8 0 是由燃煤引趔4 1 。而且煤、油、天然气等这些常规石化能源储量有限，不可再 生，终有一天要消耗殆尽。所以节约能源是保护国家资源、缓解能源供需矛盾、降低企 正弦波壁管内的脉动流动及其传递特性的实验研究与数值模拟 业成本、保护环境的重要措施。近年来，我国节能工作取得了很大进展，同时又面临严 峻的形式和艰巨的任务。强化节能是实现可持续发展战略的必然要求。因此应充分认识 到节能的重要意义，努力采取节能措施，大力发展节能技术。 热质传递从本质上讲属于能量传递过程，是节能技术改造的重点对剩5 1 。如何在现 有基础上进一步提高热质传递设备的效率、降低能量的消耗从而节约能源、减轻对环境 的不良影响已经成为一个重要的研究课题。热质传递设备的小型化以及在设计中采用各 种强化传递速率的新技术作为接近上述目标的重要途径倍受重视，具有十分重要的意 义。 此外，从应用角度来看，伴随热量和质量传递过程的流体流动在工程实际中随处可 见。例如，为了降低成本，减少资源消耗，许多高效低耗的紧凑式热交换器得以探索、 研究。翅片式热交换器睁8 】是工业生产中常用的一种换热设备，其工作过程如图1 1 所示， 高温的水在管中流动，在通过翅片的冷空气流的作用下得到冷却。注意观察截面从可 以发现，空气流经的通路形成了一个波形通道，这样做的目的是更加有利于流动分离和 漩涡的产生，抑制边界层厚度的增加，提高热量传递系数，强化热量传递过程。研究发 现，这些波纹形状通道对低雷诺数状态下的流动几乎没有什么优势，但是是在过渡期的 中等雷诺数范围则显现出较大的强化传递过程的优势，此时发生流动分离形成大量漩 涡，在相同功耗条件下提高了热量传递速率。 f a i r f l o w i l v 三j n f n n n _ 讥八八 s e c t i o na a ( a ) t u b e - f i ne x c h a n g e rw i t hf l a tf i n s ( b ) w a v yc o r r u g a t e dp a s s a g e ( c ) w a v yf u r r o w e dp a s s a g e 图1 1 翅片式交换器 f i g 1 1 t u b e f _ me x c h a n g e rw i t hf l a tf i n s 另一方面，在生物化工、制药以及生物医学等行业中使用的反应器以及各种生命医 学仪器的工作介质多为含活体细胞的高粘度、对剪切敏感的流体。如何在较低的雷诺数 ( 低流速、低剪切) 下进一步提高热质传递速率同时又要尽量避免或减轻通常较高的剪 大连理工大学博士学位论文 切速率对活体细胞造成的伤害，也已经成为应用中一个亟待解决的突出问题。众所周知， 人工心肺机是最重要的体外生命支持系统之一。早在1 9 7 3 年，b e l l h o u s e 等人【9 】就已经 开展了对二维弧形牛津薄膜充氧仪( 人工心肺机的早期模型) 的研究。如图1 2 所示， 这种设备的基本作用是运输新鲜氧气到血液里，并带走血液中多余的二氧化碳。在整个 传递过程中，由于薄膜附近的流体和整个通道内的流体混合的非常好，质量传递阻力显 著减小，因此质量传递速率得到强化。值得注意的是，该传递过程中的流动始终保持层 流状态，没有依靠湍流来提高质量传递速率的效果，使得血液中的新鲜活体细胞免受损 害。这对医学领域中的血液运送来说及其关键。为此，开展层流条件下的热质传递强化 研究亦非常重要。 a - s u p p o f tb m e f d b r a 岫吧 图1 2 牛津薄膜充氧仪的原理简图 f i g 1 2c o n f i g u r a t i o no ft h eo x f o r dm e m b r a n eo x y g e n a t o r 综上所述，无论是从流体力学的发展趋势、全球能源危机引发的节能研究热潮出发， 或者从目前化工生产、生物医学设备发展的需求出发，各种流路内的流体流动和传递强 化研究都必将受到高度重视。上述因素促使国内外对强化传递技术进行更为广泛的研究 和探索，不断从理论上解释各种强化传递技术的机理，从实验数据中总结出其规律性， 以便在工程实际中加以应用。 1 2 各种流路内的流体流动特性及传递特性研究 依据传递现象的基本理论，强化传递过程就是通过一定方式提高单元传递过程进行 的速率 1 0 - 1 2 】。从描述热量传递的傅里叶定律、质量传递的菲克扩散方程和动量传递的牛 顿粘性定律中，可归结出一个普遍化现象方程【1 3 】： 过程进行速率= 过程推动力过程阻力 正弦波壁管内的脉动流动及其传递特性的实验研究与数值模拟 可以看出，强化传递过程有两个途径，即增大过程推动力和减少过程阻力。增大过 程的推动力必将增加能耗，而且还受到生产工艺、设备条件以及经济性能方面的限制。 因此传递过程强化的根本出路是减少过程阻力。过程阻力的倒数是传递系数，如何提高 传递系数是研究的主要目标。 在与流体力学相关的工程中经常遇到流体与固体壁面之间或流体与相界面之间的 质量传递问题，这种质量传递过程称为对流传质。对流传质是质量传递的基本方式之一。 几十年来，人们以减少过程阻力、提高传递系数为出发点，发展了各种各样的强化传质 措施。目前，强化对流传质主要是是通过降低边界层厚度、增加流体扰动和增加近壁面 的速度梯度等几种途径来实现。 传热和传质都是物理过程，不存在物质的本质变化，二者之间可以相互类比。因此， 许多研究者在各种流路中开展了流动特性和热质传递特性的研究，取得了有意义的结 果。 1 2 1 二维流路内的流体流动及传递特性 通常，具有矩形截面的流路称为二维流路，也叫做“通道 。常见的通道包括直壁 通道、凹槽通道、弧形通道、波纹通道、波壁通道等。研究发现，不同形状的通道可以 获得不同的热质传递强化效果。其中，周期性扩缩流路由于具有独特的可以产生分离流 动而强化传递过程的优良性能而受到密切关注，比如弧形通道、波壁通道等。 国内外许多学者开展了二维流路内的流体流动及热质传递强化的研究，内容包括流 体力学性能、流动不稳定性、传递性能、流路形状优化等诸方面。 ( 1 ) 定常流场下的流体力学性能与流动特性 在图1 3 所示的对称波壁通道内( 通道形状与牛津薄膜充氧仪类似) ，n i s h i m u r a 等人【1 4 】利用实验研究与数值模拟相结合的方法，对通道内流动的流型、压力降、壁面剪 切应力等进行了详细研究。结果发现，随着雷诺数的逐渐增大，流体流动出现了三种不 同的流动形态，即层流、过渡流和湍流。在雷诺数低于3 5 0 的层流流域，随雷诺数的增 加，漩涡尺寸不断增大，漩涡中心缓慢向下游移动。随着雷诺数的进一步增加，当流动 状态转变成为湍流后，漩涡尺寸随时间而不断变化，最后达到一个极限值。摩擦因子在 层流流域与雷诺数成反比，以1 斜率单调递减；在湍流流域，摩擦因子几乎与雷诺数无 关，保持恒定；而在进入湍流流域之前的过渡流流域，摩擦因子出现波动，达到了一个 极大的峰值。研究还指出，在层流和湍流流域内的最小截面处，壁面剪切应力随雷诺数 分别以l 和3 2 斜率线性增加。 大连理工大学博士学位论文 图1 3 二维波壁通道 f i g 1 3 t w o - d i m e n s i o n a lw a v y w a l l e dc h a n n e l s 随后，n i s h i m u r a 等人【1 5 】以直壁通道为基准，考察了不同相位角对波壁通道内压力 降的影响。图1 4 显示了相位角分别为1 8 0 。、9 0 。和0 。的波壁通道形状示意图。结果 表明，在给定的雷诺数范围内，波壁通道内的摩擦因子总是高于直壁通道，而且这种趋 势随着相位角的增大而更加显著。在三种不同的波壁通道内，当雷诺数小于3 5 0 时，摩 擦因子皆随雷诺数的增大而减小：当雷诺数超过3 5 0 时，摩擦因子先随雷诺数的增大而 缓慢增加，而后几乎保持不变。 西= l g ( p 弋l 八一八一、 厂、厂、厂、，、 西= 9 泸 弋、，、一、 ，、一、，、一、 6 = 0 0 图1 4 相位不同的波壁通道 f i g 1 4w a v y - w a l l e dc h a n n e l sw i t hd i f f e r e n tp h a s e l a g s 作为对上述研究的补充，n i s h i m u r a 1 6 1 考察了正弦及弧形两种壁面通道内的流动特 性。在雷诺数较低时，两种通道内的流动结构都保持二维流动。然而，随着雷诺数的增 加，壁面形状开始影响流动结构，即在弧形通道内出现了规则的三维流动。事实上，这 是在雷诺数小于临界雷诺数尺巳时发生的不对称流动，该现象导致弧形通道比正弦通道 正弦波壁管内的脉动流动及其传递特性的实验研究与数值模拟 更早地向湍流过渡。早在1 9 8 6 年，s o b e y 等人 1 7 】就通过数值研究发现在锯齿形通道内 也存在类似现象。 g r a d e c k 和l e b o u c h e t l 8 】利用电化学技术研究了波纹通道内的壁面剪切应力并指出， 当雷诺数在2 0 0 0 3 0 0 0 0 之间时，流型的主要结构特点不会发生真正的变化。徐佳莹等 人【1 9 】对一种周期性的扩缩通道( 如图1 5 ) 内充分发展段的1 0 0 r e 1 0 0 0 层流流动进 行了数值模拟。结果表明，对于水而言，在相同舭数下，周期性扩缩通道的阻力比平 行平板通道增加1 0 2 0 0 。 e 1 - h ， 图1 5 扩缩通道形状示意图 f i g 1 5c o n v e r g i n g - d i v e r g i n gc h a n n e l 平板通道是湍流计算中的经典算例。石磊等【2 0 】以平板通道为研究对象，以动力涡粘 性模型为基础，用大涡模拟方法对雷诺数为1 8 0 时的湍流进行了数值计算。研究表明， 雷诺应力在壁面处为零，离开壁面越远，雷诺应力越大，且在某一位置达到最大值；近 壁面处的湍流间歇性最强，随着离开壁面距离的增加，间歇性急剧降低。李光熙【2 1 】等采 用有限差分法对平板通道内雷诺数为1 5 0 时的充分发展湍流进行了直接数值模拟，得到 了雷诺应力的等值线图，获得了湍流脉动场、雷诺应力输运方程中各项的平衡关系以及 湍动能方程中各项的变化曲线，为进一步评价和改进湍流模式提供了依据。 近年来，由于微细通道在微电子机械系统、微型换热器、化学工业及其它新兴技术 领域的广泛应用，其相关研究正在逐渐成为学者们关注的课题方向之一。以陶文铨院士 为代表的西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室已经展开了对微通道的相关研 究。李卓等【2 2 】采用直接在通道上测量压力的缝隙测压法，测量了内径为o 3 3 6 m m 的小 通道内的摩擦阻力系数。结果表明，在层流阶段，小通道内的流体流动具有较小的突扩 局部阻力系数以及较大的突缩局部阻力系数，不同于常规通道；而在湍流阶段，小通道 内流体流动的突扩和突缩局部阻力系数与常规通道相同。此外，他们还利用数值模拟方 法确定了极性流体电黏性对微通道内流动摩擦系数的影响【2 3 1 。上述研究为微通道内流体 流动和传热性能的探索奠定了基础。 大连理工大学博士学位论文 ( 2 ) 定常流场下的传递特性与流动不稳定性 描述通道内流动的传递特性和规律是热质传递设备开发设计的基础，许多研究者开 展了相关的数值和实验研究。a m a n o 2 4 】对波纹通道中的流动进行数值模拟发现，通道内 的流动非常复杂，从层流到湍流的流型变化十分剧烈，并基于流动分离现象解释了热传 递的机理。a l i 和r a m a d h y a n t 2 5 】通过可视化实验发现，当r p 数在1 0 0 0 左右，在波纹通 道的上游位置能够维持稳定的层流流动，而在通道下游，流动会形成不稳定漩涡并最终 发展成为湍流。这表明，在r e 较高的情况下，波纹通道中的流动和热量传递随时间和 位置的变化而变化。 许伟等【2 6 】分别采用层流模型和r n gk - e 湍流模型对二维波纹通道中的流动换热进 行了数值模拟。研究发现，r e _ 6 0 0 时基于层流模型的数值模拟能够反应波纹通道中的 流动和换热的真实情况；在6 0 0 _ r e s l 6 1 3 的范围内，采用r n g 肛湍流模型得到的模拟 结果与实验吻合得较好，但基于定常层流模型得到的n u 数与实验值的差异达到了 3 9 2 。因此当r e 数超过一定范围，二维的数值模拟不能完全反映波纹通道中的真实流 动和换热特征，通道中展向的一些因素对流动换热的影响以及影响程度还有待于进一步 的研究。 n i s h i m u r a 等【2 7 】详细研究了波壁通道内的质量传递特性。在层流和湍流范围内，局 部平均质量传递鼢数分别与雷诺数的1 3 和3 5 成比例。他们指出在层流范围内，波壁 通道内的传递强化与直壁通道相比无明显优势，然而，当流动进入湍流流域后，波壁通 道内的质量传递强化显著增强。在研究质量传递长度的影响时发现，在层流范围内，鼢 数随传质长度的增长而增大；而在湍流范围内，传质长度的影响可以忽略。结果还发现， 在波段最大截面处的局部砌数的增长明显高于最小截面处的增长。 n i s h i m u r a 等【1 5 】还以直壁通道为基准，在相同功耗条件下，对不同相位的波壁通道 内的传递性能进行了分析，考察了波壁通道观，数与直壁通道鼬。数的比值随雷诺数的 变化关系。鼢。，鼢。大于l 时表明波壁通道内的质量传递强化效果优于直壁通道。由图 1 6 可知，对于任一相位的波壁通道，砌。鼬。值随雷诺数的增加而增大；当雷诺数接 近波壁通道的临界雷诺数3 5 0 时，该比值出现峰值；随后该比值随雷诺数的增加缓慢减 小；如果雷诺数继续增大并超过直壁通道的临界雷诺数2 0 0 0 后，勋。，睨值迅速减小 直到接近1 。显然，与直壁通道相比，波壁通道具有更好的传递性能。而且结果显示， 不同相位的三种通道内的传递规律相似，即在较低或较高雷诺数时，波壁通道内的质量 传递强化并不明显：在中等雷诺数时，能获得较好的质量传递强化；而在流动刚刚进入 过渡流流域变得不稳定时，质量传递强化效果最佳。 正弦波壁管内的脉动流动及其传递特性的实验研究与数值模拟 图1 6 相同功耗时波壁通道内的质量传递强化 f i g 1 6 m a s st r a n s f e re n h a n c e m e n tu n d e re q u a lp u m p i n gp o w e rc o n d i t i o ni nw a v y - w a l l e dc h a n n e l s 由上述研究结果可知，流动不稳定性与质量传递强化效果有密切的联系。因而研究 者对二维通道的流动不稳定性进行了大量的研究，众多研究表明，在流动由稳定向不稳 定状态转变的过程中，存在种称之为t s 波的周期性自持振动行为。所谓的t s 波最 初由平板上的二维流动发现，即当流体在无限长的平板上流动时，在近壁面处形成充分 发展的边界层。当雷诺数较低时，边界层内的质点匀速运动，此时质点的速度与时间无 关。当雷诺数逐渐增加并超过某一临界值时，边界层内质点的速度出现周期性的变化， 随时间的变化呈现周期性正弦波形。该现象首先由t o l l m i e n 于1 9 2 9 年在实验中获得， 随后s c h l i c h t i n g 用理论分析和数值方法证实了该现象的存在，因此这种现象被称作 t o l l m i e n s c h l i c h t i n g 波，简称t s 波。研究者在其它二维通道内进行了大量的实验和数 值研究，也发现类似现象。 g h a d d a r 等1 2 8 , 2 9 通过研究得到了t s 波的扰动流线，如图1 7 所示，相邻扰动线分 别以顺时针和逆时针方向扰动，使得流动轨迹呈正弦波状。结果表明，正是t s 波引发 了某一固定频率下的自我维持振动。w a n g 和v a n k a t 3 0 】利用数值模拟发现在二维波壁通 道中的过渡流范围内确实存在一种t s 波，它引发了自持振动，并最终导致波壁通道内 流动结构的不稳定，强化了热量传递过程。研究还发现其它形状的通道中也存在t s 波， 即t s 波存在于所有二维通道中，其自持振动频率与通道几何参数有关。 大连理工大学博士学位论文 f l o wd i r e c t i o n 图1 7 直壁通道内t - s 波扰动流线 f i g 1 7 a p 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 l g u z m a n 和a m o n 【3 1 , 3 2 详细描述了t s 波的形成过程和总特征，即两个漩涡的融合 过程。在自持振动流动的一个周期内，首先波段的最大截面处由一大一小两个漩涡占据， 随后，由于边界层效应小漩涡逐渐长大并向下游移动，直到与大漩涡连在一起形成一个 更大的漩涡。此过程随时间呈周期性变化。当一个波段内两个相邻漩涡的扰动方向相反， 即一漩涡扰动方向为顺时针，另一漩涡为逆时针方向运动时，即可形成t s 波，如图1 8 所示。图1 9 显示了利用染料注射法拍摄到的二维正弦波壁通道内自持振动时的t s 波 可视化照片。此外他们还研究了通道内速度随时间的变化情况，如图1 1 0 ( a ) 所示，当雷 诺数低于临界值时，纵轴上表示主流速度的振幅随时间逐渐衰减；而当雷诺数超过临界 值时，如图1 1 0 ( b ) ，主流速度u 与截面速度矿以某一振幅维持正弦波形波动，