（热能工程专业论文）流量波动条件下流动与换热特性研究.pdf

h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i wm a s t e rd e g r e ed i s s e r t a t i o n 摘要 本文使用数值计算软件c f d 研究了圆管中单相水脉动紊流的流动和传热特性。计算 使用了标准七一占模型，稳定流动状态的模拟结果与经典的勃拉休斯公式、迪图斯贝尔 特公式吻合得很好。 将加热和不加热管道内脉动流动数值模拟的结果与实验结果进行了比较。模拟的参 数如：平均速度，速度振幅，加热功率和流体温度等均从试验数据中计算得到，并在 c f x 中作为各种模拟条件。试验与计算的结果对比表明：两种方法对压降的研究有相似 之处，并月二者之间存在相位差。计算得到的对流换热系数与试验的对流换热系数符合 程度较差，但与迪图斯贝尔特公式吻合得很好，对这种差异的原因进行了分析。 通过数值计算研究了加热功率、脉动周期和振幅改变对流动特性，对流换热系数， 努谢尔特数，壁面温度和截面流体温度的影响规律。 结果表明：流动特性和换热系数会周期性地波动，波动周期与入口速度的脉动周期 相一致。流速脉动周期的变化对摩阻系数和努谢尔特数没有影响，但是速度振幅和平均 速度的增加会使摩阻系数和努谢尔特数增加。由于未考虑固体壁面对流体流动的影响， 没有观察至s j d h 热功率的增加对压降和对流换热系数的影响。 关键字：数值模拟；圆管；流量脉动；流动特性；换热 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，t h es t u d yo np u l s a t i l et u r b u l e n tf l o wi nap i p ew a sc a r r i e do u tu s i n g c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) 1 1 1 es i m u l a t i o nu s e dc f xc o m m e r c i a ls o f t w a r e t o i n v e s t i g a t et h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c sa n dh e a tt r a n s f e r f o r s i n g l ep h a s ew a t e rf l o w t h e s t a n d a r dk sm o d e lw a su s e df o rt h es i m u l a t i o n t h ec f dr e s u l t sf o rs t e a d yf l o wa g r e e sw e l l w i t hc l a s s i cc o r r e l a t i o n ss u c ha st h eb l a s i u sc o r r e l a t i o na n dt h ed i t t u s b o e l t e rc o r r e l a t i o n t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sa r ea l s oc o m p a r e dw i t h e x p e r i m e n t a l r e s u l t sf o r u n s t e a d yf l o wi nh e a t e da n dn o nh e a t e dp i p e n es i m u l a t i o np a r a m e t e r ss u c ha st h ea v e r a g e v e l o c i t y ，t h ev e l o c i t ya m p l i t u d e ，h e a tp o w e ra n df l u i dt e m p e r a t u r ea r ec a l c u l a t e df r o mt h e e x p e r i m e n t a ld a t aa n di n p u ti nt h ec f xs o f t w a r e t h ec o m p a r i s o ns h o w ss i m i l a r i t yf o rt h e s t u d yo ft h ep r e s s u r ed r o pa n ds h o w st h a tt h e r ei sap h a s ed i f f e r e n c eb e t w e e ne x p e r i m e n t a l a n ds i m u l a t i o nr e s u l t s t h er e s u l t sf o rc o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n td o n ta g r e ew i t h e x p e r i m e n t a l ，t oe x p l a i nt h i sd i f f e r e n c et h ec o m p a r i s o nw i t ht h ed i t t u s - b o e l t e rc o r r e l a t i o n w a sp r o p o s e d ，i ts h o w st h a tt h es i m u l a t i o na n dd i t t u s - b o e l t e rc o r r e l a t i o na g r e ew e l l t h ei n f l u e n c eo fi n c r e a s i n gt h eh e a tp o w e r ，t h ep e r i o da n dt h ea m p l i t u d eo ft h ef l o wo n t h ef l o w c h a r a c t e r i s t i c s ，c o n v e c t i v e h e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n t ，n u s s e l tn u m b e r , w a l l t e m p e r a t u r e ，a n dc r o s s s e c t i o n a lf l u i dt e m p e r a t u r ea r ei n v e s t i g a t e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c sa n dh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to s c i l l a t e p e r i o d i c a l l yw i t ht h es a m ei n l e tv e l o c i t yp e r i o d ，n l ec h a n g e so ft h ep e r i o do ft h ev e l o c i t y d o n ta f f e c tt h ef r i c t i o nf a c t o ra n dt h en u s s e l tn u m b e rb u tt h ei n c r e a s eo ft h ev e l o c i t y a m p l i t u d ea n da v e r a g ev e l o c i t yi n c r e a s et h e m e t h ei n c r e a s e so ft h eh e a tp o w e rd o n ta f f e c tt h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ec o n v e c t i v e h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t k e yw o r d sn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；c i r c u l a rt u b e ；f l o wf l u c t u a t i o n ；f l o wc h a r a c t e r i s t i c ；h e a t t r a n s f e r c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1b a c k g r o u n d i nr e c e n ty e a r s ，t h e r eh a sb e e nag r o w i n gi n t e r e s ti nab a r g em o u n t e df l o a t i n gn u c l e a r d e s a l i n a t i o np l a n tt op r o v i d ep o t a b l ew a t e ri nc o a s t a la r e a sb i s u c hp l a n t sa r ec o s te f f e c t i v e w h e nc o m p a r e dt ol a n d b a s e dn u c l e a rp o w e rp l a n t s ，h a v el e s s e rc o n s t r u c t i o np e r i o d sa n dt h e p o t e n t i a l t os h i f tt oa n yp l a c e ，a n dh a v es i m p l i f i e da n t i - s e i s m i cd e s i g nm e a s u r e sa n d d e c o m m i s s i o n i n g t h em a i n d i f f e r e n c ef r o maf l u i dm e c h a n i c sp o i n to fv i e wb e t w e e n l a n d b a s e da n db a r g e m o u n t e de q u i p m e n ti st h ei n f l u e n c eo fs e aw a v eo s c i l l a t i o n so nt h e l a t t e r t h et h e r m a lh y d r a u l i cb e h a v i o ro fb a r g e m o u n t e de q u i p m e n ti si n f l u e n c e db yd i f f e r e n t m o t i o n ss u c ha sh e a v i n g ，r o l l i n ga n dp i t c h i n g t h e s eo s c i l l a t i o n sr e n d e rt h ef l o w sa n d p r o c e s s e su n s t e a d y t h er e s u l t i n gf l u c t u a t i o n si nt h ef l o wr a t e ，p r e s s u r ed r o pa n dh e a tt r a n s f e r m a y i n d u c ei n s t a b i l i t i e si ne q u i p m e n ti n v o l v i n gp h a s ec h a n g ea n dm a yh a v ed e l e t e r i o u se f f e c t o nt h e i rp e r f o r m a n c e c f dt o o l sn o wd a y sa r ei m p o r t a n tt o o l st os t u d ys u c hp h e n o m e n aa n dh a sb e e n s u c c e s s f u l l ya p p l i e di nm a n ya r e a so ff l u i dm e c h a n i c s ，i n c l u d i n gf l o wa n d h e a tt r a n s f e ri z j 一 一一 t h eu s eo fc f dh a sm a n ya d v a n t a g e sw ec a nl i s tl i k ee x a m p l e s ： r e l a t i v e l yl o wc o s t ：u s i n gp h y s i c a le x p e r i m e n t sa n d t e s t st og e te s s e n t i a le n g i n e e r i n g d a t af o rd e s i g nc a nb ee x p e n s i v ei n s t e a ds i m u l a t i o n sa r er e l a t i v e l yi n e x p e n s i v e ，a n d c o s t sa r el i k e l yt od e c r e a s ea sc o m p m e r sb e c o m em o r ep o w e r f u l s p e e d ：c f ds i m u l a t i o n sc a nb ee x e c u t e di nas h o r tp e r i o do f t i m e a b i l i t yt os i m u l a t er e a lc o n d i t i o n s ：m a n yf l o wa n dh e a tt r a n s f e rp r o c e s s e sc a nn o tb e ( e a s i l y ) t e s t e dl i k eh y p e r s o n i cf l o w a b i l i t yt os i m u l a t e i d e a lc o n d i t i o n s ：c f da l l o w s g r e a tc o n t r o l o v e rt h ep h y s i c a l p r o c e s s ，a n dp r o v i d e st h ea b i l i t yt oi s o l a t es p e c i f i cp h e n o m e n af o rs t u d y ，f o re x a m p l e ， i nh e a tt r a n s f e r ；p r o c e s sc a nb ei d e a l i z e dt ob ea d i a b a t i c ，c o n s t a n th e a tf l u x ，o rc o n s t a n t t e m p e r a t u r eb o u n d a r i e s c o m p r e h e n s i v ei n f o r m a t i o n ：e x p e r i m e n t so n l yp e r m i td a t at ob ee x t r a c t e da ta l i m i t e d n u m b e ro fl o c a t i o n si nt h es y s t e m ，i n s t e a dc f da l l o w st h ea n a l y s tt oe x a m i n eal a r g e n u m b e ro fl o c a t i o n si nt h er e g i o no fi n t e r e s t ，a n dy i e l d sac o m p r e h e n s i v es e to ff l o w p a r a m e t e r sf o re x a m i n a t i o n c f da l s oh a ss o m el i m i t a t i o ni np r a c t i c e ( t u r b u l e n c e ，c o m p r e s s i b i l i t y ，c h e m i s t r y ，m u l t i p h a s ef l o w ，e t c ) ，t h ec f ds o l u t i o n sc a n o n l yb ea sa c c u r a t ea st h ep h y s i c a lm o d e l so nw h i c ht h e ya r e b a s e d n 啪e f l e a le i t o r s ：s o l v i n ge q u a t i o n so nac o m p u t e r i n v a r i a b l yi n t r 0 “c e sn l 】m e r i c a l e r r o r s i 2o v e r v i e w p u l s a t l l e p u l s a t i n ga n do s c i l l a t i n g o s c i l l a t o r yf l o wa r et h et e r n l sc o m m o n i yu s e di nt h e r e l a t e dl i t e r a t u r et od e f i n eas p e c i f i c f l o wt y p ei nt h eg e n e r a lf i e l do ft i m e d e p e n d e n to r u n s t e a d ya o w s p u l s a t i l ef l o wi sc o m p o s e do fas t e a d y c o m p o n e n ta n das u p e r i m d o s e d p e r i o d i c a lt i m ev a r y i n gc o m p o n e n tc a l l e do s c i l l a t i o n c u 盯e n t l yl o t so f r e s e a r c hi su n d e r w a yi na r e ao f p u l s a t i n gf l o w ，t og i v et h er e a d e rac l e a r c o m p r e h e n s l o na b o u tt h i sf i e l da n dw h a ti st h ei m p o r t a n tw o r kd o n e ，t h i so v e r v i e w i sd e v i s e d mt h r e ep a r t s ，t h e o r yo f p u l s a t i l ef l o w ，e x p e r i m e n t a lw o r k a n dn u m e r i c a ls o l u t i o n 1 2 1t h e o r yr e s e a r c h t h et h e o r yo fp u l s a t i l e f l o ww a ss t u d i e di np a p e r t og i v e t h eb a s i cc o n c e p t s ， t e r m i n o l o g y ，r e l a t l o n s h i pa n de x i s t i n ga p p r o a c h e si nt h i sf i e l d t h e s ea u t h o r sg i v ea l s ot h e l m p o r 七a n tf u t u r er e s e a r c ht o p i c sl i k et h es t u d yo ft h em e c h a n i s mi n v o l v e d i nt u r b u l e n c e g e n e r a t l o nmp u l s a t i l ef l o w ss h o u l db ei n v e s t i g a t e dw i t he x t e n s i v et u r b 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i c a lf r e q u e n c i e sr e y n o l d sn u m b e r v e l o c i t i e sa tt h ee x i tp l a n eo ft h ep i p ea n dp r e s s u r ed r o pa l o n gt h ep i p ew e r em e a s u r e d s i m u l t a n e o u s l y t h e yn o t e dt h a tt h em e a np r o p e r t i e s o ft h ef l o wa r en o ta f f e c t e db yp u l s a t i o n si nb o t h l a m i n a r a n dt u r b u l e n t f l o wr e g i m e s ，p r o v i d e dt h ea m p l i t u d ei sn o te x c e s s i v e l yh i g h t h e y c o n c l u d e dt h a tt h eo s c i l l a t i n gp a r to ft h ef l o wp a r a m e t e r sc a nb er e p r e s e n t e db ya m p l i t u d ea n d p h a s ea te x c i t a t i o nf r e q u e n c yo n l y i np a p e rb yr a j a s h e k h a rp e n d y a l a t lt h e y s t u d i e de x p e r i m e n t a l l yt t l ee f f e c to ft h e o s c i l l a t i o n so nt h ef l o wr a t ea n dp r e s s u r ed r o pi nav e r t i c a lt u b e t h e yf o u n dt h a ts i g n i f i c a n t f l o wr a t eo s c i l l a t i o n sa r ep r e s e n tu n d e rl a m i n a rf l o w ，t h em a g n i t u d eo ft h ef l o wr a t ei sf o u n d t od e c r e a s ea st h er e y n o l d sn u m b e ri n c r e a s ed u et ot h ef l o wt a k i n gal o n g e rd i s t a n c et o d e v e l o p ，i nt h et u r b u l e n tf l o wt h em a g n i t u d eo ff l o wr a t e o s c i l l a t i o n si sn o ti m p o r t a n t c o m p a r e dt ol a m i n a rf l o w ，f o rt h ef r i c t i o nf a c t o ru n d e rp u l s a t i l ec o n d i t i o n st h e yf o u n d t h a ti t i n c r e a s ew i t hi n c r e a s i n ga c c e l e r a t i o n t h ee f f e c to fo s c i l l a t i o n so nt h eh e a tt r a n s f e ri n av e r t i c a lt u b eh a sb e e ns t u d i e d e x p e r i m e n t a l l yb yr a j a s h e k h a rp e n d y a l a 7 1 ，h e e x a m i n e dt h ee f f e c to ft h e s eo s c i l l a t i o n s u s i n gp l a n eu s i n gam e c h a n i c a lo s c i l l a t o rt op r o v i d el o wf r e q u e n c y o s c i l l a t i o n so nh e a t t r a n s f e 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l e n tv e l o c i t yf l u c t u a t i o n , a d dt ot h i st h ee f f e c t so fc h a n g i n gt h em e a nf l o wr a t ea n d t h ea m p l i t u d eo ff o wr a t ep u l s a t i o n w e r es t u d i e d t h e vf o u n dt h a ti nt h ec a s eo f t h eh i g h e rf r e q u e n c i e sc o v e r e d ，t h ea m p l i t u d eo f t h ev e l o c i t ym o d u l a t i o nb e i n gc o n s t a n ti nt h a tr e g i o n i nf a s tp u l s a t i n gf l o w s ，t h em a x i m u ma m p l i t u d eo ft h ev e l o c i t ym o d u l a t i o no c c u r sa ta l o c a t i o nn e a rt h ew a l l i tm o v e sa w a yf r o mt h ew a l la st h ef r e q u e n c yo f t h ep u l s a t i o nr e d u c e s a n df o rp u l s a t i o n so fv e r yl o wf r e q u e n c i e s ，t h em a x i m u ma m p l i t u d eo c c u r sa tt h e c e n t e ro ft h e p i p e ad e w a ne ta l t o lc a r r i e do u ta ni n v e s t i g a t i o n o fp r e s s u r eg r a d i e n tc h a r a c t e r i s t i c si na m a s sf l o wr a t ec o n t r o l 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a t i o n t i n g h a 0l i ue ta 1 【1 1 1i n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l yt h ef l o wf r i c t i o n a lr e s i s t a n c eu n d e r n o wn u c t u a t i o nc o n d i t i o n s 。t h e yf o u n dt h a tf l o wr e s i s t a n c ev a r i e dw i t hf l o wf l u c t u a t i o n p e r i o d i c a l l y t o h a v em o r ei n f o r m a t i o na b o u tt h i sp h e n o m e n al i ut i n gh a oe t a 1 1 l z l p e r f o r m e de x p e r i e n c et os t u d yt h ef l o w f r i c t i o nr e s i s t a n c eu n d e rf l o wf l u c t u a t i o nc o n d i t i o n s ， t h e yf o u n dt h a tt h e r ei sap h a s ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ef l u x a n dp r e s s u r ed r o pf l u c t u a t i n g c u r v e s t h e ym a k ea l s oat h e o r e t i c a la n a l y s i sf o rt h el a m i n a rf l o wa n dt