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浙江工业大学硕士学位论文 脉动流强化传热规律实验研究 摘要 脉动传热问题是非稳态流动换热技术工程应用的一类典型代表。 湍流脉动传热作为其重要的组成部分，尚未进行广泛深入的研究，限 制了相关工程技术的发展。 本文设计了叶片式脉动发生器为实验提供脉动流，提出了合理的 脉动流流量测量方案，通过恒温水浴实现了均匀壁面温度的热边界条 件，搭建起研究湍流脉动传热特性的实验台。 通过实验方法对时均速度范围为1 6 4 0 m s ，脉动频率范围为o l o o h z 的均壁温热边界条件湍流脉动空气对流换热特性进行了研究，处 理了所得数据的实验误差。在综述已有描述脉动传热特性的无量纲数 和实验关联式后，选择了描述脉动传热影响因素的无量纲准则数。以 脉动流进出口压力振幅之比为基础，定义了无量纲脉动振幅，并对雷 诺数、w o m e r s l e y 数和无量纲脉动振幅数与努塞尔数之间的关系进行讨 论。基于所测实验数据，采用线性回归分析方法获得了反映湍流脉动 传热规律的准则方程，通过偏差比较和统计学手段分析了所得方程的 拟合效果，给出了准则方程的实验验证范围。分别讨论了时均流速、 脉动频率和脉动振幅与脉动流强化传热比之间的关系，分析了脉动流 强化传热作用的特性，提出了脉动传热学术研究与工程应用的努力方 向。 浙江工业大学硕士学位论文 关键词：脉动流，脉动传热，脉动频率，脉动振幅，准则方程，强化 传热 i v 浙江工业大学硕士学位论文 e x p e 尉m e n t a li n v e s t i ( 谈r i o no nh e a t t ra l t s f e re 卜 a n c e 锄r ro f p u l s a t i n gf l o w a b s t r a c t t h ep r o b l e mo fh e a tt r a n s f e ri np u l s a t i n gf l o wr e p r e s e n t so n ec l a s so f t h ep r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s f o r u n s t e a d yh e a t t r a n s f e rt e c h n o l o g y h e a t t r a n s f e ri nt u r b u l e n t p u l s a t i n gf l o w , w h i c h i st h e i m p o r t a n tp a r to f o s c i l l a t o r yh e a tt r a n s f e ri sl a c k i n gi ns t u d y t h ee n g i n e e r i n gt e c h n o l o g i e s o nt h i sa r er e s t r i c t e df o rt h ef u t u r ed e v e l o p m e n t ， ad e v i c ef o rp r o d u c i n gp u l s a t i n ga i rf l o wn a m e dv a n e - t y p ep u l s a t i o n g e n e r a t o rw a si m p o s e di nt h i sp a p e r f l o w - r a t em e a s u r e m e n tm e t h o do f p u l s a t i n gf l o ww a so b t a i n e d t h et h e r m a lb o u n d a r yc o n d i t i o nw a s c o n s t a n t w a l lt e m p e r a t u r eb ym e a n so fe m p l o y i n gc o n s t a n tt e m p e r a t u r ew a t e ri n t a n ko u t s i d et u b e t h ee x p e r i m e n t a ls e t u pf o ri n v e s t i g a t i n gh e a tt r a n s f e ri n t u r b u l e n tp u l s a t i n gf l o ww a sb u i l tb a s e do nt h e s ew o r k s a ne x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n h a sb e e nc o n d u c t e dt o s t u d y t h e p e r f o r m a n c eo fh e a tt r a n s f e ri nt u r b u l e n tp u l s a t i n gf l o ww i t hv e l o c i t ya n d p u l s a t i o nf r e q u e n c yr a n g i n gi n1 6 4 0m s ，0 - 1 0 0h z ，r e s p e c t i v e l y t h e v 浙江工业大学硕士学位论文 m e a s u r e m e n te r r o r sf o rt e s t i n gd a t aw e r ep r o c e s s e d t h ed i m e n s i o n l e s s c o r r e l a t i o nn u m b e r s ，w h i c hd e s c r i b et h ec h a r a c t e r i s t i co fo s c i l l a t o r yh e a t l r a n s f e ri nt u r b u l e n tf l o ww e r es e l e c t e da f t e r r e v i e w i n gt h e e x i s t e n t d i m e n s i o n l e s sp a r a m e t e r sa n dc o r r e l a t i o n s b a s e do nt h er a t i oo fi n l e t p r e s s u r ea m p l i t u d et oo u t l e tp r e s s u r ea m p l i t u d ef o rp u l s a t i n gf l o w , an e w n o n - d i m e n s i o n a lp a r a m e t e rc a l l e dd i m e n s i o n l e s sp u l s a t i o na m p l i t u d ew a s d e f i n e di nt h ep r e s e n td i s s e r t a t i o n t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nn n s s d t n u m b e ra n dt h ef a c t o r si n c l u d i n gr e y n o l d sn u m b e r , w o m e r s l e yn u m b e r a n dn o n d i m e n s i o n a lp u l s a t i o na m p l i t u d ew e r ea n a l y z e d g r o u n d e do nt h e p r e s e n td a t a , ac o r r e l a t i o n , w h i c hr e f l e c t st h el a w so fh e a tt r a n s f e ri n t u r b u l e n tp u l s a t i n gf l o ww a so b t a i n e db ym e a n so fl i n e a rr e g r e s s i o n t h e c o r r e l a t e dd e g r e eo f t h ee q u a t i o nw a sd i s c u s s e du s i n gd e v i a t i o nc o m p a r i s o n a n ds t a t i s t i c sm e t h o d t h er e a s o n a b l ea c c u r a t er a n g ef o r t h ec o r r e l a t i o nw a s g i v e n t h ef a c t o r se f f e c t i n gh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n to ft u r b u l e n t p u l s a t i n gf l o w , w h i c hi n c l u d et i m e a v e r a g ev e l o c i t y , p u l s a t i o nf r e q u e n c y a n dp u l s a t i o na m p l i t u d ew e n a n a l y z e df o ri n v e s t i g a t i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c o fh e a tt r a n s f e ra u g m e n t a t i o n s t r u g g l ed i r e c t i o no fs t u d ya n da p p l i c a t i o n s f o ro s c i l l a t o r yh e a tt r a n s f e rw a sp r e s e n t e da tt h ee n do f t h ed i s s e r t a t i o n k e y w o r d s ：p u l s a t i n gf l o w , o s c i l l a t o r yh e a tt r a n s f e r , p u l s a t i o nf r e q u e n c y , p u l s a t i o na m p l i t u d e ，c o r r e l a t i o n ，h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t v i 浙江工业大学硕士学位论文 符号说明 英文字母： 换热面积，m 2 无量纲脉动振幅 系数 系数；回归系数向量 待求未知薰 系数 比定压热容，j k g k ) 管腔内径，m ；常数 螺旋管的螺圈直径，m 电渗析细胞的当量直径，m d e a n 数 脉动频率，h z 假设检验 h o d g s o n 数 对流换热系数，w ( m 2 k ) g - n i e l i n s k i 准则方程系数 由脉动振幅和脉动速度的百分比决定的一个常数；待求未知量 管长，m ；待求未知量 待求未知量 常数；实验数据观测组数 n u s s e l t 数 压力，p a 压差，p a 变量个数 彳 以 口 6 c c 勺 j d 砌 日 协 矗 茁 量 ， m 疗 胁p 凹 p 浙江工业大学硕士学位论文 p r a n d l t 数 平均体积流量，m 3 s 质量流量，k g s 强化传热比；复相关系数 管腔半径，m 雷诺数 脉动雷诺数 绝对温度，k 时间，s 入口空气温度， 出口空气温度， 壁面温度， 平均温差， 速度，m s 速度脉动振幅，m s 体积，m 3 w o m e r s l e y 数 稳流段距离，m 位移脉动振幅，m 无量纲脉动速度；实验段距离，m 希腊字母： 口 口口 置信度 无量纲速度数 s t o k e s 数 n q g r r 黜 k r ，0 。0 o 蛾 材 矿 矿 工 r 浙江工业大学硕士学位论文 常用下标： 矩阵行列标号 计算点( c a l c u l a t i o n ) 拟合点( e x p e r i m e n t ) 流体( f l u i d ) 平均值( m e a n ) 脉动流( o s c i l l a t i n gf l o w ) 稳态流( s t e a d yf l o w ) 壁面( w a l l ) i x h 耐 唧 ， m 。 。 w 浙江工业大学硕士学位论文 表索引 表卜1脉动传热研究代表性研究论文总结9 表卜2锅炉烟管内烟气流速推荐表1 4 表1 - 3脉动传热研究对象实验范围晃定1 4 表2 - 1脉动流量测试方案览表2 5 表2 - 2换热器管壁温度实验数据表2 8 表2 - 3测试仪器与实验装置信息一览表3 l 表2 _ 4实验台仪器标定情况一览表3 1 表2 - 5实验台设计参考一览表3 2 表3 一l脉动传热实验数据采集方法一览表- 3 5 表3 _ 2实验数据与已有方程相对误差表3 8 表3 - 3已有文献脉动传热影响因素一览表4 6 表3 - 4准则方程计算值与实验点偏差程度一览表5 5 表3 - 5多元线性回归的方差分析表5 7 表3 - 6其他显著性分析结果5 7 表3 _ 7脉动频率5 h z 准则方程计算值与实验点偏差程度一览表5 8 x 浙江工业大学硕士学位论文 图索弓 图2 - 1 图2 - 2 图2 - 3 图2 - 4 图2 - 5 图2 _ 6 图2 7 图2 - 8 图2 - 9 图2 - 1 0 图2 - 1 1 图2 - 1 2 图2 - 1 3 图2 - 1 4 图2 1 5 图2 - 1 6 图2 - 1 7 图2 1 8 图2 - 1 9 图3 - 1 图3 - 2 图3 - 3 图3 - 4 图3 - 5 图3 - 6 图3 - 7 图3 - 8 机械驱动脉动阀结构图1 6 叶片式脉动发生器设计图1 7 脉动发生器特性实验台示意图1 8 简易叶片式脉动发生器1 9 脉动发生器叶片组三维造型1 9 脉动频率5 0 h z 对应a 、b 处压力特性2 0 流速3 6 m s 频率l o h z 的脉动流入口处压力脉动特性2 l 流速3 6 m s 频率9 0 h z 的脉动流入口处压力脉动特性2 l 速度与脉动频率关系图2 l 压力传感器安装照片2 2 压力传感器平齐方式安装所测入口处压力脉动特性图2 3 压力传感器按图2 一1 0 方式安装所测入口处压力脉动特性图2 3 风机关闭系统运行传感器所测压力特性2 4 脉动频率2 5 h z 脉动压力频谱分析2 4 阻尼箱结构示意图2 5 脉动流量测试方案图2 6 测壁温热电偶布置图j 2 7 换热器结构示意图2 9 脉动传热实验系统3 0 格拉布斯法处理粗大误差流程图3 4 稳态流对流换热实验数据与己有准则方程的比较3 8 脉动频率2 0 h z 下雷诺数与努塞尔数关系图4 6 脉动频率2 0 h z 下实验结果拟合曲线4 7 稳态流动管内对流换热雷诺数与努塞尔数关系图4 7 不同频率下雷诺数与努塞尔数实验结果4 8 流速3 6 m s 脉动频率与对流换热系数实验结果4 8 流速3 6 m s 准则参量w o m e r s l e y 数与努塞尔数关系图4 9 x i 浙江工业大学硕士学位论文 闺3 - 9 图3 - 1 0 图3 1 1 图3 - 1 2 图3 - 1 3 图3 - 1 4 图3 - 1 5 图3 1 6 图3 1 7 图3 - 1 8 图3 - 1 9 图3 2 0 流速3 6 m s 情况下实验结果拟合曲线4 9 不同流速下w o m e r s l e y 数与努塞尔数关系图4 9 ， 4 0 m s ，l o b z 进出口压力脉动振幅与数拟合关系比较5 1 4 0 m s ，5 0 b z 进出口压力脉动振幅与n i l 数拟合关系比较5 1 流速4 0 m s 脉动频率l o h z 无量纲脉动振幅拟合效果5 l 流速4 0 m s 脉动频率5 0 h z 无量纲脉动振幅拟合效果5 2 稳态湍流传热准则方程拟合曲线图5 3 计算值与实验点吻合程度5 6 脉动流动强化传热特性6 0 脉动频率2 0 h z 以下强化传热特性6 0 脉动频率8 0 h z 。9 0 舷和1 0 0 1 1 z 强化传热特性6 l 流速4 0 m s 无量纲脉动振幅与强化传热效果关系6 2 浙江工业大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育 机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者繇参牵隰。7 年6 月多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权浙江工业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，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。 本学位论文属于 作者签名： 导师签名： 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 奄冬 胁炱 1 日期：d 压 1 日期：o 年 占月；日 似弓日 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 脉动传热概述 第一章绪论 1 1 1 研究背景 一、脉动流 流动按照流体运动状态可以分为稳态流动( s t e a d yf l o w s ) 和非稳态流动 ( u n s t e a d yf l o w s ) ，近年来非稳态流动以其特有的物理性质和研究价值吸引了众多 学者的关注，而脉动流是非稳态流动流体力学基础研究的一类典型代表【1 】。 流动参数，如压力、速度等发生周期性变化的流体称为脉动流，如血液、往复 式活塞泵输出的流体等。国外学者 2 - 4 1 将这种流动参数周期变化的流体进一步划分 为时均速度为零的“振荡流”( o s c i l l a t i n gf l o w o s c i l l a t o r yf l o w ) 和时均速度不为零 的“脉动流”( p u l s a t i n g f l o w ，p u l s a t i l e f l o w ) ，后者通常由前者与稳态流叠加而成。 国内学术界对此不区分，如“脉动传热” 5 1 英文关键词表述为“o s c i l l a t o r yh e a t t r a n s f e r ”，金山词霸专业版对“o s c i l l a t i n gf l o w ”与“p u l s a t i n gf l o w ”二者均译为脉 动流。部分国外学者1 6 1 也认为“p u l s a t i n gf l o w ”可用于统称上述两种流态。 学者们对脉动发生方法进行了总结与归纳，a a r o l lm t h o m a s 等 7 1 提出形成脉 动流的两种根本手段是边界激励和压降激励，这与林宗虎院士【8 ，9 1 总结的通过振动 强化传热的两种方法是一致的；m e l d ao z d i n cc a r p i n l i o g l u 等 4 1 给出了三种对稳态 流动进行脉动激励的方法：流体扰动( 通过开闭阀、蝶阀、伺服阀实现) ，往复式 活塞运动( 通过凸轮、曲柄滑块、止转轭机构实现) ，空气脉动技术( 仅用于液体 的脉动激励) 。这些方法概括了脉动流的生成机理和工程实现过程，为脉动流强化 技术的工程应用和推广提供了理论基础。 二、脉动传热 脉动传热是指由于系统因素或人工强制作用而使流量及相关参数发生周期性 脉动的换热特性1 5 1 ，其中所谓系统因素或人工强制作用即为前文所述的脉动流激励 方法。因此，脉动传热定义的实质内容是研究脉动流的传热传质特性。 国内关于脉动传热的研究较少，出现“脉动传热”这一表述方法的文献就更为 浙江工业大学硕士学位论文 罕见。西安交通大学郭烈锦教授等首先使用“脉动传热”这一概念，在相关论文l ， m 1 2 】中傲了定义和介绍；国外学者关于“脉动传热”的表述更多以“脉动流动传热” ( h e a tt r a n s f e ri np u l s a t i n g o s c i l l a t i n gf l o w ) 为主。作者尊重国内学者的表述，对 描述脉动流动相关的传热问题采用“脉动传热”的表述方法。这既符合汉语言简 意赅的表达习惯，又与已有的“脉动燃烧”( p u l s ec o m b u s t i o n ) 一词相对应，形成 匹配的热物理专业词汇。 1 1 2 脉动传热的应用 脉动传热在工程中具有广泛的应用背景，如d a v i d ，s a i l o r 等【1 3 】所介绍的利用 脉动流强化传热可实现金属退火处理，玻璃回火处理，纺织品的干燥，电子器件 的冷却等；x u e f e n gw a n g 等1 3 】综述了脉动传热研究的主要应用：民用、军用脉动 燃烧器，核反应堆的冷却系统，往复式发动机，人体的血液循环系统的换热作用 等：这些应用包括两个方面：一是利用脉动传热技术强化传热传质，二是处于脉 动流动状态的对象以脉动传热的研究方法来处理。现有文献关于脉动传热应用的 研究可概括为；1 ，脉动流强化传热；2 ，脉动流强化传质；3 ，基于脉动传热传质 特性的生物医学研究。下面分别进行介绍： 一、脉动流强化传热 脉动燃烧过程产生高频高温的脉动尾气，根据这一特性研制而成的脉动锅炉具 有燃烧效率高、污染物排放量低、传热效率高的特点。浙江工业大学钟英杰掣1 t 1 5 , 1 6 1 研制的自激励脉动燃油锅炉与相同外形尺寸的普通燃油锅炉相比，换热效率提高 了3 0 以上；m i c h e ly 等1 7 1 针对脉动热水锅炉的热工性能进行了系统研究，获得 了较好的锅炉特性；b u s s i n g 和t h o m a sr a 等【1 8 1 对脉动锅炉中脉动流清理积灰的 应用进行了研究，效果显著。 韩国学者k i md o n ge o n 掣1 9 1 所设计的平板式脉动换热器，是目前欧洲专利局 网站上公布的以脉动流强化传热技术为核心的新型换热器专利，该换热器主要包 括管路、脉动发生器以及平板式换热嚣主体，脉动发生器被安装在换热器入口处， 形成的脉动流作为流动工质强化传热。m u r a tk a k t a s 等【2 0 1 进行了脉动流在封闭腔 内传热特性的研究，为声波脉动换热器的优化设计提供了参考模型。热声引擎中 的工质具有压力脉动特性，所涉及换熟内容是典型的脉动传热问题，s b a c k h a u s 等【2 1 1 对这一问题进行了相关研究，指出该换热器能够增强热声机械的可靠性，降 2 浙江工业大学硕士学位论文 低其运行成本，将取代结构复杂的传统换热器。斯特林发动机( s t i f l i n ge n g i n e ) 是一种具有广泛工程应用背景的外燃机，具有热效率赢，噪声小，可以使用各种 燃料( 包括固体燃料) 等优点阎；其工作主体为往复活塞，作业工质处于脉动流 动状态，对应换热器内发生脉动传热，d a e - y o u n gl e e 等【2 3 】就此问题进行了模型分 析和数值研究，提出充分发展层流脉动传热为该问题的物理模型，同时指出该模 型对于可再生制冷机( r e g e n e r a t i v e - t y p er e f r i g e r a t o r ) 中的脉动传热问题同样适用， 由此可知，脉动传热在制冷领域同样具有工程应用背景。 随着电子信息技术的发展，电子元件与芯片等的散热闯题逐渐引起各国学者的 关注，而脉动传热技术在微电子散热方面拥有巨大开发潜力。k c l c o n g 等 2 4 - 2 7 对脉动空气通过金属多孔介质的特性进行实验研究，探索脉动传热技术应用于微 电子散热方面的可行性，得到了多孔金属中脉动传热的特性，提出了相关的准则 方程；z h i x i o n 8g u o 等 2 8 1 对这一问题进行了理论分析，建立了描述脉动流通过多 孔介质的数学模型，得到了一些有价值的结论；j wp a e k 等 2 9 1 针对脉动流通过多 孔金属内部的温度分布进行了测量与研究，对这一特殊脉动传热问题的规律进行 了系统的讨论。y o n g m a n nm 等1 3 0 1 采用数值手段模拟层流状态下脉动流通过矩形 波纹通道( g r o o v e dt u b e ) 的特性，探讨脉动传热在微电子散热问题的应用价值； s e o y o u n g k i m 与b y u n g h a k a n 9 0 1 】通过数值模拟的手段，再现了脉动流通过矩形 波纹通道的换热特点，验证了电子散热问题中采用脉动传热技术的可行性。x i j i a n z h u 和c h i n g b a ih w a n g 3 2 1 所发明的美国台湾专利“脉动传热设备”( p u l s a t i n gh e a t t r a n s f e ra p p a r a t u s ) 正是采用脉动传热技术解决微电子散热闯题，该发明主要针对 计算机c p u 散热要求的提高而设计的，解决传统翅片式散热器无法完成小空间高 热量情况的冷却，其原理与前述两种方法均不同，是采用小尺寸活塞式脉动发生 器原理对特殊工质进行作用。p h i l i p p en i k a 等1 3 3 1 提出了一种用于微机电系统m e m s ( m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m s ) 冷却的微型散热器( m i c r oh e a te x c h a n g e r ) ， 其核心技术基于线性热声激励产生的脉动传热，是脉动传热技术应用于微电子散 热方面的又一范例。 脉动流动强化热传导效果也非常明显，aal a m b e r t 等【3 4 1 将脉动传热技术应用 于太阳能集热供热系统，通过脉动流将太阳能集热器( c o l l e c t o r ) 中获得的热量运 输到蓄热设备，弥补传统太阳能集热蓄热系统输送热量中闻过程损失量大的缺 点，进一步提出采用非牛顿流体作为工质效果更佳，在某一特定条件下强化传热 浙江工业大学硕士学位论文 倍数可增至1 0 1 1 倍。日本学者h a k a c h i 发明的脉动热管( p u l s a t i n gh e a tp i p e ) 标 志着热管技术进入了一个新阶段p ，】，国内外的相关研究层出不穷 3 6 4 2 ，根据相关 报道【4 3 】，其传热效果可以与金刚石膜( d i a m o n ds u b m t r a t e ) 相媲美。 脉动流强化传热的工程应用远不止如上所述，如m e h m e ts o z e n 等【删介绍的脉 动流在储热中的应用以及d a z u m b m n n e n 等黔蛔用于冷却应用的脉动冲击射流 技术等，都是脉动传热在工程中应用的体现。另一些脉动传热应用中伴随有其他 脉动强化作用，如脉动流干燥技术、生物传热等问题的研究，归类为脉动传质和 脉动传热医学仿生，分别在如下两部分中介绍。 二、脉动流强化传质 脉动流干燥技术是目前脉动传热应用较为成熟的一项强化传熟传质技术，主要 基于脉动燃烧器或脉动发生器所形成的脉动流对被干燥物，如粮食、纺织品等， 进行干燥。c z e s l a ws t m m i i l o 等1 4 7 应用l d a ( l a s e rd o p p l e ra n e m o n e t r y ) 和p d a ( p h a s ed o p # e ra n e m o m 哪) 技术研究干燥腔内脉动传热特性，并通过c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 技术预测干燥腔内温度和速度的分布，得出脉动 干燥是极具前景的干燥方法这一结论。i z b i c i n s k i 等i 稍l 提出了一个研究脉动干燥 的数学模型，解释了脉动流干燥技术强化传热传质的机理：通过脉动燃烧所产生 的高频高温的尾气使被干燥物与干燥气体充分混合，形成雾化作用，强化了被干 燥物的传热传质过程。脉动干燥技术在农业生产中具有重要应用价值：王相友等 4 9 + 5 1 1 研制的5 h m - 1 型脉动流化干燥机，结构简单，重量轻，整机无运动都件，干 燥均匀，对含水量为3 2 3 8 的稻糠进行干燥，1 0 分钟内含水率降低至1 8 - 2 0 ： 李宝国等1 5 2 j 应用h e l m o h l z 型脉动燃烧器对饱和油菜籽进行干燥，与喷雾干燥、气 流干燥、冲击干燥等传统干燥手段对应的干燥器传热系数比较，脉动型干燥器尾 管内的n u s s e l t 数是部分传统干燥器的扣5 倍。 化工过程中的脉动传热传质问题同样备受关注，vp e r e z - h e r r a n z 等1 5 3 1 通过理 论分析研究了化学电渗析单元内的脉动流质量、动量的传输特性，得出脉动强化 作用使电渗析单元隔膜表层速度梯度增加，维持了较高的停滞次数；m a r cj | j a e g e r l 5 4 】采用脉动流技术强化不同分子量的分子或同位素扩散分离过程的传质效 果，当扩散过程中引入脉动作用可实现4 6 倍的强化传质，对于混合气体间的分 离尤其有效，通过脉动技术将惰性气体氦从氦一氮气中分离出来非常容易，在某 一特殊条件下可以获得6 0 0 0 倍的强化传质效果；f j m o n t e s 等p 习研究了生物反应 4 浙江工业大学硕士学位论文 器中的脉动传质问题，得出生物反应器脉动传质效果较球形单元的传质效果高出 几个数量级的结论；关国强等聪5 刀对脉动微液滴传质进行了仿真模拟，其中包括 成核、浓缩、蒸馏等问题，对应的工程技术有喷射流反应器( i m p i n g i n g f l o wr e a c t o r ) ， 脉动式流化床。污染物处理等，研究结果证明脉动微液滴与静态液滴( s t a t i o n a r y d r o p l e t ) 和稳态液滴( d r o p l e ti ns t e a d ym o t i o n ) 相比，传质率有明显提高，该项研 究也是探索微尺度脉动传热问题的内容。 a a r o n t h o n l a q 对脉动技术强化气体分离过程的传质问题进行讨论，提出了通 过脉动传质技术可以设计制造自循环的空气再生系统，为宇航员太空作业提供高 质量的空气环境，这种设备是一种纯机械作业的装置，无其他任何化学物质，安 全可靠。 s f b 硎a m i n 和c 丸r o b e r t s f 5 9 6 0 j 以脉动传热传质的研究方法应用于车用催 化剂( a u t o m o t i v ec a t m y m ) 的升温问题，由发动机活塞的往复运动可知，汽车尾气 是典型的脉动流，发生在汽车尾气与车用催化剂之间的传热传质问题对应为脉动 传热传质问题，两位学者应用c f d 仿真软件s t a r - c d 对尾气排出、通过连接管 的过程进行了数值模拟，获得了重要结论。 s h i g e n a om a r u y a m a 等 6 1 , 6 2 根据波浪的脉动特性，利用深海与海水表层含盐度 的浓度差构建“海洋沙漠”中的“农场”，为该区域海水表层的浮游生物提供深海 中的养分，进而维持海洋生态系统食物链的延续，解决了深海区表层海水中没有 生物存在的生态缺陷，实现海洋资源的可持续发展。 三、基于脉动传热传质特性的生物医学研究 由人体心脏和肺部的工作原理可知，呼吸流动和血液流动都是典型的脉动流， 相关的质量、动量、能量传递问题是脉动传热研究的核心问题，基于此的相关医 学、生物学研究同样备受关注。 z i e r e n b e r gj e n n i f e rr 等 6 3 1 提出了人体肺部的物理模型：自由脉动流在单个圆 柱体外部绕流的传热传质问题，介绍了当前基于脉动传热技术开发的人造肺，主 要由凹形腔( h o l l o w ) 和微孔纤维体( m i e r o p o r o u sf i b e r s ) 组成，脉动空气在其内 部流动，主要用于缓解患有慢性肺部疾病患者的病痛；b u d i m i rm i j o v i c 和d i e t e r l i e p s c h 6 4 就此问题也进行了研究，提出均一流( u n i f o r mf l o w ) 在振动的圆柱体外 部绕流的物理模型，两位学者迸一步给出具体的雷诺数和流动形态。并把该处理 方法所得n u s s e l t 数和非脉动状态下的相应情况数进行了比较，得到一些重要结论。 浙江工业大学硕士学位论文 as a r k a r 和gj a y a r a m a n 6 5 1 对血液的脉动传热传质问题进行了讨论，介绍了 血液的传热传质与传导血液的壁面和导管有关，建立了数学模型，并进圣亍求解和 分析，得到了有关血液流传热传质的相关结论；s c m y u 惭l 应用p 技术( p a r t i c l e i m a g ev e l o c i m e t r y ) 对腹部大动脉动脉瘤( a b d o m i n a la o r t i ca n a u y s m ) 的稳态流和 脉动流模型进行了实验研究，以正弦脉动波形和特定的雷诺数、w o m e r s l e y 数为模 型边界条件进行讨论，给出了一些重要结论。国内的一些学者也进行了相关研究【6 7 删，取得了一定的成绩。 1 1 3 脉动传热研究的意义 2 0 0 6 年底，国家自然科学基金委员会和工程与材料科学部联合出版了工程 热物理与能源利用1 6 9 l ，这是关于2 0 0 6 年至2 0 1 0 年工程热物理学科发展战略的 研究报告，指明了未来五年内中国热物理学科的发展方向。书中提出未来传热传 质学发展方向的核心着眼点为密切结合当今世界社会经济和科学技术发展的三大 主导科技一生物、信息和纳米科技。正如上文所述，目前脉动传热研究均集中在 这三个方面。通过脉动传热技术实现高效的散热功能，解决信息的高度集成和量 子化运算速度使得芯片和处理器的产热量不断攀升的热障瓶颈；以脉动传热传质 研究方法和理论，探索人体血液流、呼吸流以及心脏、肺部等重要生理器官的生 物医学方面的奥秘；从宏观研究逐步进入微观探索脉动传热微尺度研究，如微液 滴( m i c r o d r o p l e t ) 和微换热器( m i c r oh e a te x c h a n g e r ) 等也日益兴起。这些都预 示着脉动传热研究具有广泛的应用背景和巨大的开发潜力。 不仅如此，脉动传热研究对于传热传质学的学术发展同样具有重要意义。脉动 流动比稳态流动的流动特性更加复杂，从而带来更加复杂的传热传质特性，这就 为迸一步深入探索强化传熟传质的机理提供了条件。对于传统强化传热的机理解 释，更多的说法是减薄热边界层，减小热阻以及改变流场分布等等，更精确、更 细致的强化传热解释理论并没有提出。而就笔者所知，目前关于脉动流动强化传 热的机理解释已经提出了十余种1 7 0 , 7 1 】，其内容各有特色，这些内容一方面丰富着 脉动传热研究，同时也对其他传热问题的机理解释具有借鉴意义。如对于通过电 场作用强化传热问题( e h d ，e l e c t r o h y d r o d ) 7 n a m i e ) 的研究，fc l a i 等m 1 应用脉 动传热理论解释了其作用机理，认为由于电场的作用使稳态流形成脉动流，进而 强化传热。又如ed u r s t 掣7 3 1 在对充分发展的层流脉动传热研究中，发现已有关于 6 浙江工业大学硕士学位论文 稳态流速度发展段长度的内容存在一些问题，进行了细致的讨论，获得了更为精 确的入口段长度计算公式。 综上所述，脉动传热研究不仅具有广泛的应用背景，而且具有重要的学术研 究价值，开展相关的研究非常必要。 1 2 脉动传热研究文献综述 1 2 1 脉动传热研究发展的三个阶段 最早的脉动传热研究出现在二十世纪初，发展到今天已经历了近百年的时间， 根据作者所参考的文献，脉动传热研究可以概括为兴起、发展和兴旺三个阶段， 下面进行具体综述： 、脉动传热研究的兴起 1 9 2 9 年，egr i c h a r d s o n 等【7 4 】应用热线风速仪对管内稳态流和脉动流的速度 进行了测量，比较了管内横截面上平均速度梯度的理论值和测量值，发现了脉动 流速度的“环形效应”，标志着脉动传热研究的开始。随后，f r a n k b w e s t 和a l l a n 量t a v l o f l 7 5 1 对往复泵产生的水流脉动流管内对流换热特性进行研究，获得了 6 0 - - 7 0 的强化传热效果。ak o p p e n h e i m 等1 7 6 和tj w t u i a m s ，s w a n s e aw a l e s i 7 7 1 提出了一些关于脉动流测量方面的结论，对于脉动压力和速度的测量与计算具有 重要指导意义。ac a r l e t o nj e a l o u s 等【7 8 l 针对以脉动圆柱体为发生器的脉动流强化 分离问题进行了研究，提出了液液分离中引入脉动作用所需要的能量方程。1 9 5 4 年，久h a v e m a n n 和n n n a r a y a nr a o l 7 9 1 将题为“脉动流动传热( h e a tt r a n s f e ri n p u l s a t i n gf l o w ) ”的文章发表在著名学术杂志n a t i l r e 上，标志着关于脉动传热 的研究正式兴起。此后不久，r o b e r tl e m l i c h t s o l 不仅提出了脉动传热强化传热比的 方程，而且总结了当时的脉动传热研究情况，将3 9 组实验结果进行了系统的整理， 其中大部分实验证明脉动传热可以实现强化传热，强化比最高者为2 3 倍。 二、脉动传热研究的发展 1 9 7 1 年，m fe d w a r d s 和w l w i l k i n s o n t 8 1 1 综述了管内脉动流应用的潜力， 给出了层流状态下，脉动流对应的动量方程和能量方程，并提出了种准则方程 7 浙江工业大学硕士学位论文 思想。1 9 7 3 年，n o r m a n 久e v a n s 9 2 , 8 3 1 对半无限平板上的非稳态边界层的传热问题 进行了讨论，认为未来五十年是非稳态流体力学备受关注的时期，并列举了当b 寸 脉动传热工程应用的实例，如火箭的不稳定燃烧，非稳态空气强化换热器传热效 率等1 9 7 5 年，pm e r l d i 和h t h o m a n n v q 研究了管内脉动层流向脉动湍流的过渡 问题，认为传统的稳态流雷诺数区分层流和湍流是不准确的，提出了新的界定方 法。1 9 7 7 年，wgh i l lj r 和p & e 【舒1 应用自激励声波振荡强化湍流喷射的混 合率，研究了哨型喷嘴( w h i s t l e rn o z z l e ) 现象，为自激励脉动发生研究提供了重 要参考。这些内容可以称为脉动传热研究发展过程中的里程碑，是脉动传热研究 逐渐进步的标志。 三、脉动传热研究的兴旺 近年来，随着计算机运算功能的逐渐强大和现代高精度测量与数据采集技术 的进步，以及c i d 数值模拟、p i v 高精度测速等技术的出现，给脉动传热研究的 进一步发展提供了物质基础。目前已经涌现出了一批优秀的研究学者，如韩国高 等科学技术研究所( k o r ea d v a n c e di n s t i t u t ea n dt e c h n o l o g y ) 的s e oy o u n gk i m 、 h y u n gj i ns u n g 等【1 9 2 9 ，32 ，8 6 , 明，英国剑桥大学m r m a c l d e y 、p s t o n e s t r e e t 等降州， 美国佛罗里达大学u l r i c hh k u r z w e g 9 协3 1 等等，这些学者在脉动传热传质研究方 面取得了相当的成绩。传热传质学