（化工过程机械专业论文）管壳式换热器自激振荡脉动强化传热技术研究.pdf

摘要 论文针对目前工业上管壳式换热器无源功脉动强化传热问题，在查阅大量相关文 献的基础上，开发设计了一系列不同结构的自激振荡腔体来实现管壳式换热器的无源 强化传热。论文从理论上分析了脉动强化传热机理和自激振荡机理：得到了流体脉动 对于管内流场及温度场的影响和影响流体脉动强化传热的因素；认为剪切层的不稳定 性是形成自激振荡的决定因素；并利用水电比拟的流体网络理论模型推导出腔体固有 频率的计算公式。利用f l u e n t 非定常流动模型计算了自激振荡腔体内部的流场，揭 示了自激振荡脉动机理。利用f l u e n t 对振荡腔内流场进行了分析，得出腔体的结构 参数对自激振荡的形成至关重要，操作参数直接影响出口动能大小。通过大量数值模 拟得出腔体结构参数优化范围，碰撞壁锥角：1 2 0 度；腔体直径与出口直径之比d c d 2 ： 4 - 7 ；出口直径与入口直径之比幺d , ：2 - 2 3 ；腔体长径比厶d c ：0 4 - - - 0 7 。发生 振荡腔体结构需要满足三个条件，即腔体具备合理的长径比，入口能够提供足够的射 流湍动能以及出口具备良好的射流过流特性。通过自激振荡脉动强化传热试验研究得 到了：激振荡腔体在一定的结构参数和运行参数下，能够使流体产生脉动；在相同r e 数下，振荡腔体的长径比不同，对换热系数的影响也不相同，存在最佳长径比，在此 长径比下强化传热比e 达到最大值；随着管内流动情况的改变，相应提高了流体流动 阻力，导致阻力损失增加，并且r e 数越大，阻力损失越大。实验数据对自激振荡腔 体设计和现场应用具有重要指导意义。 关键词：自激振荡，强化传热，固有频率，数值模拟 a b s t r a c t a i m i n ga tt h ep r o b l e mt h a tw i t h o u ts o u r c e w o r kp u l s eh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n to fs h e l l a n dt u b eh e a te x c h a n g e ri ni n d u s t r y , b a s e do nn u m e r o u sl i t e r a t u r e s ，as e r i e so fd i f f e r e n t s e l f - o s c i l l a t i o nc h a m b e rw e r ed e s i g n e dt or e a l i z ew i t h o u ts o u r c e w o r kh e a tt r a n s f e r e n h a n c e m e n to fs h e l la n dt u b eh e a te x c h a n g e gp u l s eh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n tm e c h a n i s m a n ds e l f - o s c i l l a t i o nm a n c h a n i s mw e r ea n a l y s ei nt h e o r y ：t h ef l o wf i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l d i nt h et u b ew e r ee f f e c t e d b yp u l s ef l o wa n dt h ef a c t o r so ft h ep u l s eh e a tt r a n s f e r e n h a n c e m e n tw e r ee f f e c t e d ；t h ei n s t a b i l i t yo fc u tl a y e rw e r ec o n s i d e r e dt h ed e t e r m i n a n to f f o r m m i n gs e l f - o s c i l l a t i o n ；t h ec a l c u l a t ef o r m u l ao fc h a m b e ri n h e r e n tf r e q u e n c yw e r ee d u c e f r o mt h eh y d r o m e s h w o r kt h e o r ym o d e lo nw a t e ra n de l e c t r i c i t ya s s i m i l a t e t h ef l o wf i e l d o fs e l f - o s c i l l a t i o nc h a m b e rw e r ec a l c u l a t e d b yf l u e n ti n s t a b i l i t yf l o wm o d e l ，t h e s e l f - o s i l l a t i o np u l s em a n c h a n i s mw e r eo p e no u t t h ef l o wf i e l d so fc h a m b e rw e r ea n a l y s e b yf l u e n t , w ec a ne d u c et h ec h a m b e rs t r u c t u r ep a r a m e t e ri si m p o r t a n tt ot h ef o r m i n go f s e l f - o s c i l l a t i o na n dt h eo p e r a t i o np a r a m e t e r sd i r e c t e f f e c tt h eo u tk i n e t i ce n e r g y t h e o p t i m i z ee x t e n s i o no ft h ec h a m b e rs t r u c t u r ep a r a m e t e rw e r ee d u c e db yal o to fn u m e r i c a l v a l u es i m u l a t i o n ，h u ta n g l e ：12 0d e g r e e ；t h er a t i oo fc h a m b e rd i a m e t e ra n do u td i a m e t e r 砬a 2 ：4 7 ；t h er a t i oo fo u td i a m e t e ra n dp o r t a ld i a m e t e r 吃盔：2 2 3 ；t h er a t i oo f c h a m b e rl e n g t ha n dd i a m e t e r l e ? d c ：0 4 - - 0 7 t h r e et e r m sw e r en e e db yc h a m b e rs t r u c t u r e t of o r mo s c i l l a t i o n ：t h ec h a m b e rh a st h er e a s o n a b l er a t i oo fl e g t ha n dd i a m e t e r , o u t - m o u t h h a v ew e l lt r a n s f l u xs p e c i a l i t ya n dp o t a lh a v ee n o u g hk i n e t i ce n e r g y w eg m n e df r o mt h et e s t r e s e a r c ho fa p p l y i n gs e l f - o s c i l l a t i o nt oh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t ：t h ec h a m b e rc a l lf o r m p u l s ea ts t a t e ds t r u c t u r ea n do p e r a t i o np a r a m e t e r s ；t h ee f f e c to fh e a te x c h a n g ec o e f f i c i e n ti s d i f f e r e n tw h e nt h er a t i o so fc h a m b e rl e n g t ha n dd i a m e t e ra tt h es a m er e ，t h e r ei sao p t i m i z e r a t i o t h er e s i s t a n c el o s i n gw i l lb ei n c r e a s ea l o n g 、 ，i t hr ei n c r e a s e e x p e r i m e n t a lr e s u l tw a s o fg r e a ts i g n i f i c a n c et os e l f - o s c i l l a t i o nc h a m b e rd e s i g na n di n d u s t r i a la p p l i c a t i o n 。 k e yw o r d s ：s e l f - o s c i l 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 , i n h e r e n tf r e q u e n c y , n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 主要符号表 z 一喷嘴固有频率，h z ；p 一瞬时压力，m p a ； 现、厶一振荡腔直径和长度，m m ； 畋、d i 一出入口直径，m m ； 仍、a 一出入口压力，m p a ； 厶、厶一出入口长度，m m ； 磊一流体入口温度，； 瓦一壁温，砚 吼一管壁与流体的热流量，w m 2 ； 配一管道入口处瞬时流速，m s ； 一管道入口处平均流速，m s ； 彳一脉动振幅，m m ； c o 脉动频率，勉； 一脉动总换热系数，w ( m 2 k ) ； 魄一恒定流动换热系数，w ( m 2 k ) ； 一脉动流瞬时流速，m s ； 以一稳态流速，m s ； 脉动速度分量，m l s ； f 一时间，s ： y 一运动粘度，m 28 ； 历， ，影一x ，y ，z 方向瞬时速度，m $ ； a ，一空间增长因子； 见一扰动波波长，m m ； 一圆频率，h z ： y 一腔室容积，m 2 ： k 一与流量无关的常数； 挖一流体特性系数； 一流体粘性系数，n s m 2 ； p 一流体密度，磁m 3 ； c - 一振荡腔流量系数； f 一振荡腔局部阻力系数； 4 、4 一振荡腔前后腔体面积，m 2 。 a 一振荡腔体内流体波速，m s ； p 一振荡腔瞬态输出压力，m p a ； p 。一入口来流平均压力，m p a ； s - - l a p l a c e 算子，j = a + j a ，a 0 ； 一无阻尼自然频率，h z ； g d 国) 一系统频率响应函数； 彳) 一系统幅频特性函数； 伊0 ) 一系统相频特性函数。 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得 的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致 谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得 中国石油大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：至叠址一一 日期：2 。矿年月 争日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷 版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅 和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或 其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：至堑丝 指导教师签名：彰幺忙 日期：加移矿年 ，月节日 日期：凇口厂年月尹日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 换热器广泛应用于化工、石油、电力、冶金、轻工等行业的生产工艺过程中，是 最常见的通用设备之一。管壳式换热器由于具有结构坚固、操作弹性大和使用材料范 围广等独特的优点，今后仍将在广泛的领域内得到继续发展。管壳式换热器使用历史 悠久，经历了由单弓形到多弓形折流板，由单管程到多管程的发展历程。由于普通弓 形折流板支撑会不可避免地引起滞流死角、流体阻力损失大、传热平均温差的利用率 不高、传热效率指标低，在某些场合不能适应工业生产的需要，强化型管壳式换热器 应运而生。新型的管壳式换热器采用增强管内和管外侧的换热方式，使得换热器的换 热与流阻性能比普通弓形折流板换热器的传热与流阻性能有了明显的改善，在节约设 备投资、减小流体输送功耗以及提高换热能力等方面都起了较普通弓形折流板换热器 有了明显改善。 根据流体力学和传热学理论，当具有粘性且能润湿壁面的流体流过壁面时，由于 粘滞力的作用，在靠近壁面处产生流动边界层。层流流动具有层流边界层，紊流流动 具有紊流边界层，只是在贴附于壁面的一极薄层内仍保持层流的性质，这部分称为层 流底层。管式换热器内部的温度梯度主要集中在边界层内。在层流或紊流条件下，如 果能够有效的破坏边界层，减小层流边界层或层流底层的热阻，可以有效地提高局部 换热系数，是强化对流换热过程的有力措施。以往的研究表明，脉动流可在一定范围 内有效地提高对流换热系数。 尽管利用流体脉动来强化传热传质效果的这一方法早为人们所熟知，但是目前采 用的多是有源功流体脉动，如外加机械振动强化传热。这些方法在强化传热效果的同 时，消耗了功，造成了损失，无法达到效益的最大化。无源功流体脉动强化传热，即 是通过流体自激诱发而产生脉动对传热过程进行强化，既可提高传热的效果，又无需 消耗外来功，同时由于流体的脉动对换热器管内结垢也会有一定的抑制作用，因此深 入研究流体自激振荡机理和方法，开发适合于管壳式换热器入口流体自激振荡的装置， 具有较高的学术价值和工程应用价值。 1 2 研究及应用现状 1 2 1 研究现状 1 流体脉动强化传热 第一章绪论 m a r t i n e l l i 等人【lj 可能是世界上最早研究流体脉动对管内强制对流换热影响的学 者，1 9 4 3 年他们发表了研究成果，实验采用直径为3 1 8 毫米的直立管为换热管，利用 水作为工质，用泵在管进口处发生脉动，脉动波型为半正弦波，脉动频率f = - 0 2 2 4 4 h z ， 雷诺数r e = 1 4 0 0 7 7 0 0 0 。实验结果发现：脉动换热与恒定流相比，平均换热系数可提 高1 0 0 。随后m a r c h a n t 2 1 、w e s t 和t a y l o r 3 1 、s h i r o t s u k a t 4 1 、l i n k e 5 1 做了类似的实验研 究，结果大致相同。1 9 5 9 年g b d a r l i n g 6 】的学者注意到上游发生脉动和下游发生脉动 会产生完全不同的结果，并做实验验证了这一观点，实验表明，当在上游发生脉动时 可提高对流换热系数7 0 左右，在下游发生脉动时反而会降低对流换热系数。戴克1 7 j 研究了h e l m h o l t z 脉动燃烧器的尾管中脉动燃气对尾管壁面的传热特性，研究表明脉 动强化了传热效果。 2 自激振荡工作原理 高压小流量的波涡作用机理认为：旦喷嘴激振频率接近其固有频率，即可发生振 幅较大的高频激振。廖振方教授利用非定常流与涡运动理论对自激脉冲发生机理【8 j 进行 了解释：当一股射流或剪切流向下游流动时，射流中一定频率范围内的涡量扰动得到放 大。在剪切层中形成一连串离散涡环，当其到达碰撞壁并与之相互作用时，在碰撞区产 生压力振荡波，该波以声速向上游传播，又诱发新的涡量脉动。若分离区与碰撞区的压 力脉动相互为反相，就会形成涡量扰动放大一新的涡量脉动产生的循环过程。该过程 不断重复，就会形成强烈的自激振荡脉冲射流。 低压大流量自激的“空气弹簧 机理【9 】认为：腔内产生了大小周期性变化的一圈 轴对称空化气囊，气囊中心即为腔内负压中心。能够产生轴对称涡环的腔体结构，是 产生激振的先决条件，其次是上喷嘴直径必须在工作压力下提供足够的射流湍动能， 使其在腔内形成轴对称涡换结构；最后，下喷嘴的直径和长度应为脉冲流体提供良好 的过流条件，从而产生强劲有力的脉冲射流。由于涡环作用而产生的涡环中心的空化 区域将随时间做周期性缩张，压力降低( 小于汽化压力) 时，空化区域扩大，对中心 射流形成阻挡，犹如阀门关闭，压力回升( 大于汽化压力时) ，空化区域缩小，释放射 流能量，犹如阀们打开：这样就形成了低压大流量的脉冲射流效果。 3 自激振荡射流喷嘴设训1 0 j 由于流体共振是靠自激产生的，是无源自振。根据水声学原理，共振驻波的频率 与喷嘴固有频率相近，该频率值由喷嘴的临界斯特罗哈( s t r o u h a l ) 数确定，但是，精 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 确的共振频率值取决于振荡喷嘴的入口截面( 见d , ) , a m 口截面渔吐) 的收缩程度。 因此，振荡喷嘴的设计，首先必须计算出振荡喷嘴的固有频率，然后根据自激压力振 荡可能发生的激励频率设计出合适的振荡喷嘴尺寸。 4 自激振荡频率特性分析 在自激振荡射流中，射流的振荡频率直接影响射流的空化效果和冲蚀能力，自激 振荡射流的频率特性由喷嘴结构和射流本身特性两方面决定，如果流体的激励频率与 喷嘴结构的固有频率特性相匹配，射流的压力振荡会更剧烈，冲蚀效果更佳。 廖振方教授【1 1 , 1 2 , 1 3 】等根据相似理论建立了自激振荡喷嘴的流体网络模型，研究了 结构参数以及流体参数对其频率特性的影响。他们研究认为喷嘴的频率特性是非线性 的，对不同频率的来流输入，喷嘴输出压力响应不同，具有压力谐振特性和低通滤波 作用，在系统固有频率附近，响应幅值最大；不同的流体压力对应不同的系统固有频 率，压力大则固有频率也较高，但不同压力时系统的谐振峰值基本不变；振荡喷嘴腔 长越大，固有频率越小，存在产生最大谐振峰值的最佳腔长。自激振荡喷嘴的设计应 使喷嘴系统的低通频带包含来流的主频带，并使喷嘴的固有频率接近来流脉动主频， 系统的阻尼l l ：d , 和放大倍数大，才能获得更好的压力振荡效果。 王乐勤教授【1 4 】等采用同样的流体网络模型研究了自激振荡喷嘴结构参数配比对自 激振荡频率特性的影响分析。他们所研究的对象为低压大流量喷嘴，他认为对于低压大 流量自激振荡喷嘴自激效果影响最大的因素是自激振荡腔直径与下喷嘴直径的比值，这 与唐川林所介绍的高压小流量情况下上、下喷嘴直径l k d ：d ，是最重要的结构参数配比 不同。王乐勤【1 6 】认为自激振荡腔直径对自激振荡喷嘴频率特性的影响大于腔长等其它因 素的影响。而下喷嘴直径则集中反映了脉冲射流的过流特性。因而腔径与下喷嘴的配合 d 。d 。就构成了结构参数配比最重要的因素。其它影响喷嘴频率特性的重要配比关系还包 括上下喷嘴直径比和自激振荡腔的长径比。他们还研究了碰撞壁锥度a 的影响，发现当 喷嘴其它结构参数合理时均可产生自激，最佳锥角为a = 1 2 0 。，这与唐川林【切研究结论 是一致的。 1 2 2 应用现状 1 自激振荡钻井采油 沈忠厚等人 1 8 , 1 9 , 2 0 】在淹没非自由射流动力学规律、自振空化射流理论和机械及水力 联合破岩理论方面有重要突破和发展。在此基础上发明了自振空化射流钻头等高效钻 3 第一章绪论 头，钻头在油田应用大幅度提高机械钻速。在国内外首次建立了钻井工程以井底岩石面 获最大水功率为目标函数水力设计新方法，解决了钻井工程长期没有解决的水力设计理 论问题，首创自振空化旋转射流处理油井近井地层【2 1 1 及解堵新技术【2 2 1 ，获得显著的技术 经济效益。 2 自激振荡清洗 徐如良【9 】首次提出了利用振荡射流进行油泥清洗，利用其不连续射流团的聚能作用 产生比定压连续射流大的流量，提高清洗效果，降低动力机配套功率及清洗管路压力等 级。 3 自激振荡切割 杨林通过对自激振荡磨料射流动态特性的理论、实验和应用研究，认为与普通 的磨料射流相比，自激振荡磨料射流冲蚀能力强、系统装置简单，是一种很有发展前 景的新型磨料射流，可以广泛应用于中低压下的清洗、破碎、切割等工作。 4 自激振荡消防水枪 王红霞 2 4 1 为提高水枪射流的喷射距离和灭火效果，根据流体力学中的湍流理论和 空气动力学理论，对国产现用的消防水枪提出改进方案。改进后的水枪由整流器、自 ，激振荡脉冲射流喷嘴和过渡接头等组成，实现了提高喷射距离和灭火效果。 5 自激振荡强化传热 高虹【2 5 】等将自激振荡射流应用于强化传热方向，得到当自激振荡的强度达到二定 程度后，可以强化换热，不同的振荡强度，强化换热的效果不同。但自激振荡并不是 所有的工况下都可以强化换热，当压差及流量小至一定程度时，使用共振腔还有可能 弱化换热。 1 3 研究内容、方法及技术路线 1 3 1 研究内容 本研究的主要目的在于研制开发一种流体自激诱发脉动机构，实验研究其脉动特 性以及流体脉动对传热效果的影响，并给出该类型流体自激脉动机构的设计准则。其 主要研究内容包括： 1 理论分析流体脉动强化传热机理； 2 理论分析流体自激诱发脉动产生机理； 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 3 自激振荡腔的数值研究； 4 自激振荡腔的结构设计； 5 流体自激振荡脉动强化传热的实验研究。 1 3 2 研究方法、技术路线 本研究将以基础理论研究为指导，以实验研究为主，并辅以数值模拟和现场热态 试验。具体研究路线见图1 - 1 。 图1 - 1 技术路线图 f i g l - 1 t h et e c h n o l o g yc o u r s e s 第二章脉动强化传热理论分析 第二章脉动强化传热理论分析 近几十年来，许多学者1 卅进行了流体脉动实验及理论研究，其中大部分表明流体 脉动对管内介质对流传热存在强化作用，但也有一部分认为流体脉动对强化传热作用 甚微，甚至减弱传热。流体脉动强化传热有着众多影响因素和复杂的变化规律，至今 没有全面深刻解释流体脉动强化传热的机理和影响因素。这些状况极大地制约了流体 脉动强化传热研究和应用的迸一步发展。本文在文献研究的基础上，对脉动换热机理 进行了探索，从对流换热的基本概念和基本理论出发，对脉动强化传热机理进行理论 分析，获得了一些启发性结论。 2 2 流体脉动对于管内流场及温度场的影响 2 2 1 管内脉动流动无因次方程的建立 为了阐明流体脉动对管内流场及温度场的影响【2 6 ，2 7 ，2 引，定义管道入口处瞬时流速 为； = u o ( 1 + a c o s c o t ) ( 2 - 1 ) 上式中，一管道入口处瞬时流速； 一管道入口处平均流速； 彳一脉动振幅； c o 一脉动频率； 广一时间。 由n a v i e r - s t o k e s 方程可以建立如下所示轴对称流的无因次连续微分方程、动量 微分方程、能量微分方程。 丝+ 三望( ，邝) ：0 锄，苏、7 丝+ 丝+ v 丝：一三望+ 一l 一0 u 一丝) + 一+ v = 一一二+ 一一l ，一l 8 t a x 钕 ra x r8 r 、却。 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 翌+ 铭塑+ v 丝：一l l a ( ，驾 ( 2 4 ) 一+ 铭+ v 一= 一，一 k z - 斗， 西舐锄p r ，防务7 在上述方程中，各无因次量的表示意义如下所示： ：生u，v：一rev：乓：三一，f：上，re：坐一：zcpu 9p9x k e 9 l - r = ，v = = _ = ，= 一，f = 一，= = u a u o p u j r e rrr e r v k 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 在定壁温条件下：目= 甄t - t 彳 在定热流条件下：秒：t * - t 孑 q w r k 其中，t o 表示流体入口温度，乙表示壁温，q 。表示管壁与流体的热流量，其中 带：i ：的物理量表示有因次变量。定义无因次脉动频率为：只( 兰) 1 彪。 在换热管的入口处满足x = 0 ， u ( o ，) = l + a c o s f l 2 r v ( o ，f ) = 0 a ( o ，f ) = 0 在壁面处，= 1 ， u ( o ，1 ，) = 0 在管中心处，= 0 v ( x ，1 ，f ) = 0 o ( x ，1 ，f ) = 1 孚( 墨0 ，f ) ：0 0 0 _ ( 墨，”= o f v ( x ，0 ，r ) = 0 竽( 0f ) ：0 0：一lx，= o r 对于管内瞬时无因次速度、瞬时无因次温度以瞬时努谢尔特数用下式表示： u = u m + 彳e o s ( p 2 r + 吮) 伊= o m + 彳bc o s & 2 f + 丸) n u = n u m + 4 人7 弛c 幻s ( p 2 f + 九) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 其中，下标m 代表时均值，下标1 代表脉动部分，矽代表与入口处脉动的相位差。 2 。2 。2 管内脉动流动无因次方程的数值解 利用s i m p l e 数值算法得到了定热流与定壁温两种边界条件下的管内速度分布、 温度分布、n u 数随脉动频率的变化【2 6 ，2 7 ，2 8 】等。 第二章脉动强化传热理论分析 1 0 0 0 51 0 r 一 = i 0 ；- 。芦：2 0 一一- - # = 4 0 ：一卢= 8 o ；一声= 1 1 0 图2 - 1脉动瞬时速度分量地在管内径向不同脉动频率下的分布 f i 9 2 1 t h ed i s t r i b u t i o no fp u l s ei n s t a n t a n e o u sp a r tv e l o c i t y “i np u l s ef r e q u e n c yo f t u b er a d i a l 图2 1 所示的是脉动瞬时速度分量在管内径向不同脉动频率下的变化情况。可 以清楚地看出，在脉动频率较小时，与恒定流的分布十分相似。随着频率的增大， 的最大值开始向边壁移动，靠近边壁处的速度梯度要比小频率状态下的变化剧烈得 多。通过上图可以看出，脉动能够使管内流场发生变化，但在脉动频率较小时，对流 动几乎没有什么影响。 在等壁温边界条件下，图2 2 是径向脉动瞬时温度脉动频率的变化；图2 - 3 是不 同振幅的脉动平均n u 数与恒定流n u 数的差别与脉动频率的关系。 声= 1 0 ；i 。芦= 2 0 一- - i 4 0 ；声= 8 o ；一3 - - 1 1 0 图2 - 2脉动瞬时温差b 与脉动频率的关系 f i 9 2 - 2t h er e l a t i o no fp u l s ei n s t a n t a n e o u st e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e0 1a n dp u l s ef r e q u e n c y 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 l uz uj u v b l 图2 - 3不同p r 数的流体脉动平均温差鼠与恒定流s u 数与脉动频率的关系 f i 9 2 3t h er e l a t i o no fp u l s ea v e r a g en ui nd i f f e r e n c es w i n ga n dp u b ef r e q u e n c y 通过上述两图可以看出，随着脉动频率的增大，o 5 变化越来越小，在= 1 5 0 时， a 几乎就等于零。n u 数反映了对流换热的强弱，由图2 3 可见，施加脉动后对流换热 的改变状况是随着脉动的增大，先增大到极值后减小，并且脉动振幅越大，影响变化 的程度就越大。 图2 4 、图2 5 所示的是在等热流边界条件下，脉动平均温差、脉动n u 与恒定流 n u 之差随脉动频率变化的关系。 一1 2 o 0 口 1 5 a = 0 0 l 一一 = 0 1 0 一一一a = 0 2 0 一 = 0 3 0 图2 - 4 不同p r 数的流体脉动平均温差最6 与脉动频率的关系 f i 9 2 4 t h er e l a t i o no fl i q u i dp u l s ea v e r a g et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e 幺6i nd i f f e r e n c ep ra n dp u l s e f r e q u e n c y 1 3 坫 皓 o 坩 圬 m o 0 玑 n 巾 日 一 一 - 。鼍奎 第二章脉动强化传热理论分析 2 0 1 0 nu o 1 0 一a 1 0 p r 2 l 0 一一、 纱一 0 b l 图2 - 5流体脉动与恒定流平均之差与脉动频率的关系 f i 9 2 5t h er e l a t i o no ft h ed i f e r e n c e o fl i q u i dp u l s ea n di n v a r i a b l ea v e r a g en ua n dp u l s e f r e q u e n c y 由上述两图可以看出，脉动平均温差、脉动n u 数的变化与等壁温边界条件下变化 趋势一样，随着频率的增加先增加后减小；振幅越大，变化趋势越明显。 通过上述计算结果可以看出，脉动的确对管内的流场及温度场产生影响，从而影 响对流换热。但是我们也应看到，上述结果是在理想条件下得出的计算结果，还要经 过实验的验证。下文试图从对流换热的本质出发，对流体脉动强化传热的机理进行探 讨。 2 3 流体脉动强化传热机理 在传热学中，对流是指流体各部分之间发生相对位移所引起的热量传递过程。对 流仅在流体中发生，且伴随着导热现象。当流体作层流运动时，由于各层流体间互不 掺混，垂直与流动方向上的热量传递只能依靠流体内部导热进行，因此换热强度较低。 当流体作湍流运动时，流体中流体微团的强烈混合运动使传热得到加强，但紧贴壁面 的流体底层乃作层流运动。在此层流底层中，热量传递依靠导热，所以湍流换热时主 要热阻在次层流底层中。 由上述可见，就物理本质而言，影响流体换热强度最主要的因素是层流底层。如 能使紧贴壁面的层流底层减薄，增加主流流体湍流度使流体中心和壁面之间产生强烈 的扰动混合，拉平管道中心主流流体的径向温度梯度，增加管壁处流体的径向温度梯 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 度。扰动是产生和增强湍流的根本因素。 综上所述，流体脉动强化传热的机理大致以下几点 2 9 , 3 0 ，3 1 】： 1 ) 管内流场由于脉动的存在而发生了改变，从而改变了管内流体的温度场，使流体 与壁面处的温度梯度发生了变化，导致了对流换热的改变，这已经被理论解以及 数值解所证实。 。 2 ) 脉动使流体湍流度大大增加。在对流换热中，轴向的流动始终是非常重要的一个 因素，正是轴向的运动才能把边壁与中心流体交换的热量带走。脉动使流体压力呈 现升高和降低的周期性变化。升高时，流体的动量传递在径向和轴向都增加，且使 轴向瞬间雷诺数变化率升高，即湍流程增强，减小时，轴向压力梯度几速度梯度剧 烈变化，同样也增加了湍流的程度。这种情况在流体层流状态时尤其突出，因此脉 动方式用于层流时的强化效果更好。但是这种增强的程度不是无限的，它将随着雷 诺数的增加而减小。 3 ) 将强迫对流引入层流底层。在恒定管流中，热量是通过热传导的方式穿过层流底 层，对流对于该层影响很小。但是对恒定流施加脉动以后，脉动的压力使层流底 层与中心流体交界附近产生径向周期性的变化，在微小尺度上可以认为是流体在 径向产生周期性的流动，从而在径向产生了强迫对流换热。 对于过度流与湍流状态，经典流体力学认为【3 2 1 ，空间任意点的瞬间速度都可以分 解为一个相对稳定的时间平均速度和一个具有瞬时方向分量的一个脉动速度的叠j r l ： 甜= u + u ( 2 8 ) 上式中，u 为任一个瞬时的速度，甜是u 的时均值，“是随时间脉动的瞬时值。 由速度脉动引起的流体法向运动则是湍流运输的重要原因，因此，我们定性的认 为，当强制脉动施加到流体上时，这种外加的宏观脉动会和流体微团的微观脉动发生 类似“共振”的现象，即脉动能够使流体微团的运动在原来的基础上得到强化，促进 了流体微团的发向运动，增强了法向流体微团的掺混，促进了能量交换。表现在脉动 强化对流换热上，施加脉动后使管内原有流体微团的径向运动得到加强，使管壁与中 心流体的换热增强。前苏联学者列义哈尔德和莫特兹弗德进行的实验指出，在湍流流 动中，低频脉动占有较高能量，高频脉动占有较低能量，换而言之，流体微团的低频 脉动占主导地位。因此外加宏观低频脉动时易产生大量的“共振”现象，能够把脉动 的能量传递到流体掺混中去，从而使换热得到显著的强化。而施加高频脉动只能使微 1 5 第二章脉动强化传热理论分析 团中的高频部分产生“共振 ，由于它们占有能量较低，所以并不能使流动明显改变， 也不能使换热有所改善。 对于流体脉动强化传热方式而言，换热管内流体的流速在周期地发生变化，管中 心主流流体由于径向速度梯度较小，流体粘性的影响很小甚至可以忽略，因此流速变 化比较迅速，脉动幅度也较大。而对于靠近壁面粘性底层处的流体而言，根据牛顿内 摩擦定律【3 5 】： f ：“坐 ( 2 9 ) f = “一 k z 。y ， 砂 上式中f 为粘性力，为动力粘性系数，华为速度梯度，由于流速远低于管中心 砂 主流流体的速度，具有很大的速度梯度，因此在粘性底层内粘性力起很大作用，使得 振动时流速变化比较迟缓，脉动幅度也较小。当管内流体流速逐渐增大时，很大的中 心速度及其变化将在粘性底层的边缘处引起类似“卷吸 现象，形成尺寸较大的大量 涡旋。由于粘性的作用，在运动过程中这些涡旋将分解成为更小尺寸的涡旋，同时在 管内径向涡旋浓度差和流体脉动压力作用下将向管中心扩散，这种扩散就是前面所讲 的单相单组分的迁移，这一过程促进了中心流体和近壁面处流体之间的掺混，增加了 边缘流体与管中心流体的热量传递，提高了对流换热系数。形成涡旋的数量与粘性底 层边缘处的流体速度梯度有关，速度梯度越大，涡旋生成的越多。所以流体脉动强化 传热的机理就是由于流体流速的脉动导致了壁面处涡旋的大量生成从而增加了掺混传 质的结果，并将整个强化传热过程划分为涡旋的形成、分解和扩散三个紧密相关的环 节。 2 4 影响流体脉动强化传热的因素分析 通过前面的理论分析可以看出：流体脉动换热主要与流体脉动频率、脉动振幅、 流体平均流速、管径以及脉动型式有关。下面将对影响脉动对流换热的因素进行逐个 分析，探讨它们的影响机理。 2 2 1 流体脉动频率对换热的影响 脉动是影响换热的重要因素。当管内流体发生脉动时，管内流体流速在不断地变 化，这时流体频率直接影响着流速的变化以及近壁面处径向速度梯度的变化，从而决 定着涡旋的生成及存在状况。因此脉动频率是影响脉动强化换热的首要考虑因素。 在涡旋的生成、分解和扩散三个环节中，涡旋的生成环节占主导地位，并且直接 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 决定着脉动强化传热的效果。涡旋的分解和扩散为新的涡旋的生成创造条件。显然， 流体涡旋的生成密度愈大中心流体和壁面处的流体的能量交换就愈剧烈，换热效果愈 好。因此，造成该区域较大的速度梯度变化率就增强换热效果。在其它条件一定的情 况下，脉动频率就起决定性作用，在低频下，提高脉动频率，也就是减小脉动周期， 就能够增大速度梯度的变化率，因而有利于换热。但过高的脉动频率反而会减弱速度 及速度梯度的变化率不利于换热。而且过高的频率有可能造成较大的流动阻力，降低 了强化传热的经济性，增加了能耗。因此应该存在一个最佳的脉动频率。在此频率下， 一个脉动周期内可以得到最大涡旋生成，从而获得最大换热效果。 假设脉动时流体的换热分为两部分，将其看成非脉动时的换热和附加脉动的换热 强化的合成，因此，总换热系数是两部分换热系数的相加，即： = 红+ 办 ( 2 - 1 0 ) 式中：h 。一流体脉动时的总换热系数，w ( m 2 k ) ； 允一同样条件下，恒定流动的换热系数，w ( m 2 k ) ； h7 一由于流体脉动而引起的强化传热系数，w ( m 2 k ) 。 假定办是由于涡旋的生成而导致的质量迁移而引起的，是与涡旋的生成量成正比 的，而涡旋的生成是近壁面处径向速度梯度变化的结果。取脉动源的脉动为具有代表 性的余弦脉动，脉动频率为厂。即使在脉动过程中通过脉动源流向换热管的最小流量 为零，由于管内流体惯性的影响，换热管内的流速也不可能衰减到零，这主要取决于 脉动频率厂，而且还有坐标x ，_ 有关。基于这样的考虑，换热管内某点的瞬时速度 可以表示为， “= a ( f ，x ，) + b ( 厂，z ，, ) e o s ( 2 n + a , o ) ( 2 - 1 1 ) 式中，为管内各点的初相位，表示对脉动源的影响响应情况。 但考虑到脉动在管内是以声速来传播的，换热设备的尺寸较小，传播时间极短， 因此可以认为= o ，即管内流体对脉动是同步的，则上式简化为： 款= a ( f ，) + b ( f ，) c o s ( 2 刀夕) ( 2 - 1 2 ) 忽略沿流动方向上脉动强度的衰减，则系数a ，b 就与x 无关，上式化为： u = a ( f ，r ) + 曰( ，r ) c o s ( 2 n f i ) ( 2 1 3 ) 这意味着换热管内各截面上的脉动情况是一样的，因而换热情况是一样的。 上式对r 求导得到径向的速度梯度为： 1 7 第二章脉动强化传热理论分析 g r a d u ：孪：掣+ 竽c 。s 2 万 ( 2 1 4 ) d rd ro r 近壁面处的径向速度梯度为： 砒= 軎= ( 詈+ 詈c 。s 2 万) ， q 。5 ， 根据上述假定，可以认为强化部分换热系数办与近壁面处的涡旋生成量成正比， 进而与平均径向速度梯度成正比，即与一个脉动周期内的径向速度梯度平均值成正比 f ，砌l 扩厂f ，( 等+ - - - 筹- c o s 2 x f l ) i 衍 ( 2 1 6 ) 办o o f r f g r a d u 衍= 厂r ( 豢+ - 筹r bc o s 2 a , f i ) i 衍 ( 2 - 1 7 ) 取比例系数为c ，则上试( 2 - - 1 7 ) 为 肚矿f i ，( 筹+ 警c o s 2 刀k 西 协 最后可得到脉动时的总换热系数： h p = 魏+ 办。 ( 2 - 1 9 ) 进一步分析可得到最佳脉动频率厶，掣和竽都是脉动频率的函数，而且当脉 o ro r 动频率厂增大时，脉动周期缩短，流速得不到充分的衰减和增大，因而表征流速脉动 幅度的b 减小，而a 增大，且a _ 二，即趋向于宏观平均流速，当脉动频率下降时， a ，b 的变化相反。总之，a ，b 随着厂有不同的变化趋势，因此厅随着f 的变化而变 化，并在某一频率下达到最大值，这时的频率为最佳脉动频率f o p t ，所谓最佳脉动频 率，是指在其他条件一定下，能够获得脉动强化换热效果的流体脉动频率或频率带。 对公式( 2 - - 1 8 ) 求导数，即为： 丝：竺竺差二整型竺竺 沼2 。， 影影 令丝o f = o ，即可求出厶。 关键的在于确定系数a 和b ，也就是确定流体脉动时的各处速度表达式。系数a 、 b 的确定还需萼百涤的宴验与理论研究。 1 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 2 2 流体脉动振幅对换热的影响 采用准稳态理论来研究脉动振幅对脉动强化传热的影响。所谓的准稳态理论p 4 】 是指在每一瞬间表征稳定状态的关系成立。 假设u p = u + c o s c o t = u s ( 1 + a c o s t o t ) ( 2 - 2 1 ) 其中，u 。一脉动流瞬时流速，m s ； 玑一稳态流速，m s ： 一脉动速度分量，m s ； 彩一脉动频率，h z ； f 一时间，s 。 在稳态流动中，对流传热系数与速度之间的关系为：口o o v ”。准稳态理论认为 这一关系同样适用于脉动流动。定义优。为平均脉动对流传热系数，则： 五= 去r 2 叫乡 ( 2 - 2 2 ) 口。为瞬态脉动对流传热系数。 由以上两式可知： 尺：毒：学1 ：三r 艿c ，+ 彳c 。s 秒，z d 秒 c 2 2 3 ， 其中口。为稳态对流传热系数，r 表示脉动平均对流换热系数与稳态对流换热系数 之比，a 为无因次脉动流速的幅值，r 与a 之间的关系如图所示。 图2 7r 随a 变化的示意图 f i 9 2 7 t h es k e t c hm a po frf o l l o wt h ev a r i e t yo f a 从上图可以看出，只有脉动振幅达到一定幅度以后，脉动才能使对流换热增强。 2 2 3 流体平均流速对换热的影响 所谓脉动，就是管内流体流速呈周期性地不断变化。因此，流体平均流速是影响 1 9 第二章脉动强化传热理论分析 脉动换热的主要因素之一。由于脉动能提高流体的湍流强度，在较低流速即层流