（工程热物理专业论文）条纹面传热与流动特性的研究.pdf

中文摘要 在工程实际中，管内对流强化传热往往伴随着流动阻力的增加；结果往 往是以牺牲能源的品质为代价取得能源的数量。本文研究的条纹面在特定的 条件下能够同时达到强化传热和流动减阻的双重效果，在节约低品位能源的 同时并不增加高品位能源的消耗，对于节约能源和保护环境有着非常重要的 意义。 自从1 9 7 6 年w a l s h 发现条纹面具有减阻特性以来。条纹面减阻一直是减 阻领域研究的重点之一。1 9 9 7 年k s c h o i 将条纹面引入到强化传热领域中， 但包括k s c h o i 在内的众多研究者都将此项研究过多的集中在对油和空气作 为介质的流动和传热特性的比较方面，而对强化传热与流动阻力之间的相互 作用机理，及评价强化传热效果的标准，鲜有详尽深入的研究报道。 不同于以往的研究，本文对以水作为换热介质情况下，对条纹面的流动 和换热特性进行了详细的分析。 首先，本文应用数值计算的方法得出了条纹面速度场与温度场分布规律， 分析了条纹面传热和流动特性。通过计算证明了条纹面在某些条件下可以同 时达到减阻和强化传热的目的，并且确定了其基本作用范围。 根据计算结果，详细分析了条纹面流动和对流换热的各种影响因素。在 此基础上，尝试用湍流边界层快慢速条纹结构的约束理论解释了条纹面强化 传热与减阻的机理。 同时，根据计算结果设计了条纹面，建立了相应的实验系统，对条纹面的 强化换热性能和流动减阻特性进行了实验研究。将计算和实验结果进行了对 比分析。 本文还提出了评价管内对流换热性能的新标准，与现有的评价标准相比， 该标准简便实用，具有明确的物理含义和广泛的工程应用前景。 关键词：条纹，减阻，强化传热，数值计算强化传热标准 a b s t r a c t h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n ti nt u b eo r e nr e s u l t si nt h ec o n t r a d i e t i o nt h a t c o n v e c t i o nc o e f f i c i e n ti n c r e a s e sw h i l ef l o wd r a gr i s e ss h a r p l y , i nw h i c ht h eq u a n t i t y o f e n e r g y i s a c q u i r e d a t t h ec o s t o f q u a l i t y i nt h i sp a p e r , l o n g i t u d i n a lr i b l e t ss u r f a c ei ss t u d i e dt os o l v et h i sc o n t r a d i c t i o n ， w h i c hh a sas p e c i a lc h a r a c t e rt h a th e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n ta n dd r a gr e d u c t i o nc a n b eo b t a i n e ds i m u l t a n e o u s l y , i e w h i c hh a st h ea b i l i t yt og e tt h eo b j e c t i v eo f e n e r g y s a v i n gw i t h o u ta n ya d d i t i o n a le n e r g yo f h i g hq u a l i t y s i n c ew m s hd i s c o v e r e dt h ed r a gr e d u c t i o np e r f o r m a n c eo fr i b l e t ss u r f a c ei n 1 9 7 6 ，u n t i l1 9 9 7t h es t u d yo f r i b l e t ss u r f a c eh a s j u s tb e c o m et h ef o c u si nt h ef i e l do f h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n tf o rk sc h o i sd i s c o v e r yo fh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t a t t r i b u t eo ff i b l e t ss u r f a c e a l m o s ta l ls t u d i e so ni tw e r ei n t e r e s t e d u s ti nt h e c o m p a r i s o nb e t w e e ni t sh e a t - t r a n s f e rp e r f o r m a n c ea n df l o wb e h a v i o ri no i la n da i r t h e r ea r ef e wd e t a i l e dr e p o r t so nt h ei n t e r a c t i o no fh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n ta n d f l o w d r a g r e d u c t i o na n dh e a t 廿a n s f e re n h a n c e m e n tc r i t e r i a n u m e r i c a lc o m p u t a t i o nm e t h o di s e m p l o y e dt o c a l c u l a t ea n ds i m u l a t et h e d i s t r i b u t i o no f v e l o c i t ya n dt e r n p e m t u r eo n t h er i b l e t ss u r f a c ei nw a t e r , t h ea n a l y s i so f w h i c ht h e ni sm a d et od e m o n s t r a t et h ee f f e c to fd r a gr e d u c t i o na n dh e a tt r a n s f e r e n h a n c e m e n ta n dd e t e r m i n et h ec o n d i t i o n si tt a k e se f f e c t m o r e o v e r , t h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tf a c t o r st o t h ed r a gr e d u c t i o na n dh e a t t r a n s f e re n h a n c e m e n tp e r f o r m a n c eo nt h er i b l e t ss u r f a c ei sa n a l y z e di nt h i sp a p e r a c c o r d i n gt o t h ec a l c u l a t e dr e s u l t , a ne x p e r i m e n to fw a t e rf l o wo nr i b l e t s s u r f a c ew a sm a d et ov e r i 句t h er e s u l to fn u m e r i c a lc o m p u t a t i o n a n dt h ee x p e r i m e n t r e s u l tt e s t i f i e dn u m e r i c a lc o m p u t a t i o na n d a n a l y s i s a r er e a s o n a b l e t oe v a l u a t et h ed r a gr e d u c t i o na n dh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n tp e r f o r m a n c eo f r i b l e t ss u r f a c e an e we v a l u a t i o nc r i t e r i o n i s p r o p o s e d c o m p a r e d w i t l lo t h e r e v a l u a t i o nc r i t e r i a , t h i sn e we v a l u a t i o nc r i t e r i o ni sm o r es i m p l i f i e da n d p r a c t i c a lw i t h o b v i o u sp h y s i c a lm e a n i n g sa n db r o a d p r a e t i c a l i t yi ni n d u s t r y k e y w o r d s ：r i b l e t , d r a gr e d u c 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 , n u m e r i c a l c o m p u t a t i o n ，h e a t t r a n s f e re n h a n c e m e n tp e r f o r m a n c ec r i t e r i a 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁凄蠢堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名；互程硅 签字日期：口d 二 年二月2 c ) 1 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫生盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨韭盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 堰硅 导师签名：d 翌迁旦 签字日期：妒口2 年1 月2 0 日签字日期：抽2 一年f7 - - 月2 f 日 第一章绪论 第一章绪论 节约能源、保护环境是当今世界人类的共同话题。随着科技的进步、社 会的发展，人们对基础资源的需求不断增加，而能源正是人类工业社会赖以 存在的基础；但人类过度的、奢侈的、不计后果的使用能源，其恶果正在慢 慢显现出来：环境持续恶化，大气污染严重，气候出现异常，海水温度升高， 南极冰川溶化人类文明面临着前所未有的挑战。经济、有效、合理的利用 能源，从而最大限度的减少污染成为人类必然的选择。在能源危机若干年之 后，节能技术再次受到重视，并提升到了新的认识高度。 1 1 流动减阻和强化传热结合研究的意义 热能是整个人类社会能源大厦的基础，如何提高热能的传输、转化及利 用效率是整个节能工程的关键。为此，人们想尽了各种方法，强化传热就是 其中的重要组成部分。 通常强化传热的方法分为被动式和主动式两类j 。被动式强化是指强化 传热过程不需要外加动力消耗( 不包括由于阻力加大引起的泵功率增加和制造 工艺中的能量消耗) ；主动式则需要消耗一定的外加动力。被动式强化传热方 式包括：壁面扰动装置、扩展表面、移置式强化装置、添加物等l 主动式强 化传热方式则包括：射流冲击、表面振动与流体振动、电磁作用下的对流换 热等方式。由于主动式强化传熟设各复杂、价格昂贵因此主要应用于些 特殊场合，其使用范围非常有限；被动式强化传热设备则具有简单、廉价的 优势，因而应用范围较广。以下是被动式强化传热中最常使用的几种方式t ( 1 整面扰动装置 对流传热的热阻集中在粘性底层，所以增加壁面附近流体的扰动可以增 强对流传熟。壁面扰动装置就是根据这一机理两设计的，壁西扰动装置的种 类很多，例如各种各样的粗糙表面、轧槽管、螺旋肋、重复肋和沟槽等。 f 2 ) 扩展表面 扩展表面又称肋化表面或翅化表面，是目前一种比较成熟而实用的方法。 它不仅可以扩大传热面积，而且还可减薄表面上热边界层厚度或增强边界层 内的流体扰动来减小对流换热热阻。采用扩展表面可以达到双重强化传热的 目的。 f 3 ) 移置式强化装置 移置式强化装置可以是螺旋线、扭曲带、静态混合元件、环、螺旋片、 螺旋线捆、盘或球等管内插入物。 第一章绪论 上述这些装置不需要外界动力，而且结构简单，工作可靠，在强化传热 领域应用最广。无论采用上述三种方式的哪一种方式，对于无楣变的对流换 热问题，增加有效换热面积、减薄粘性底层的厚度、增加边界层的扰动都是 最基本的原则。在根据这些基本原则强化传熟的同时，由于换热面积的增加 和各种扰动的影响，换热设备中流体的流动阻力也将大幅增加。以光管为例， 近似地推导强化传热与流动阻力之间的关系，根据准贝g 关系式n ，l ： = 士= l ：丢( 1 - 1 ) r ，】c 。“。e dp r 8 ，j 2 卸= 号户睾( 1 2 ) c d h = 者一印 ( 1 3 ) 斗厶群厨 假定这种增加压力降的方法不破坏对光管的定义( 当然在此这只是一种 理想的假定) ，由( 1 - 3 ) 式可以看出：对于同一流体，在管长、管径、流速一定 的条件下。要想增加对流换热系数，就必须以流动阻力的增加作为代价。 在实际的研究和应用中，情况也的确如此。 有研究者以i - i f c l 3 4 a 和h c f c 2 2 为工质对光管及两种不同槽型的强化传 热管( d a e - 2 管与d a e c 管) 的水平管内凝结换热进行比较d 】，结果表明： d a e - 2 管平均换熟系数比光管提高了约1 4 0o a 1 7 0 ，而单位长度压力损失却 增加了约5 0 1 0 0 ；d a e c 管平均换热系数比光管提高了1 6 0 2 0 0 ， 同时单位长度压力损失却增加了近7 0 1 3 0 。 啥尔滨工程大学黄渭堂等人研究了螺纹槽管强化传热和流动减阻特性 【l ”，发现螺纹槽管传热系数比光管的提高了约2 0 6 5 。相对雨亩，阻力 系数增加更加明显，达到约1 0 0 。 华南理工大学的徐百平等人为锅炉高温烟气余热回收换热器设计了三角 波形板装置2 4 】，改进型传熟效率固然增加到了原来的1 4 7 6 1 6 3 7 倍，而阻 力却增至原来的3 6 9 3 3 1 1 9 倍。 上述实例中，单从换热的角度看。节能效果是明显的。但换热的强化是 以流动阻力的增加为代价的。虽然挨热效果大辐增加，但是压力损失增加的 更快，因此必须大幅度的增加泵的功率，随之而来的结果是；电能的消耗大 大增加了。通过以上分析可以看出，仅仅考虑强化传热，不考虑流动阻力的 影响，这种强化与优化仅仅是单独局部进行的，未能从用能系统的整体出发 加以改进。也就是说缺乏从能量品位以及整体能耗角度全面考虑节能问题。 2 第一章绪论 强化传热和流动减阻综合研究的目的就是使用能的流程处于最合理的匹 配状态，使设备在强化传热的同时实现用能系统的优化组合。 因此，强化传热和流动减阻的综合研究是综合节能的必然选择，也是节 能技术发展的方向。 1 2 流动减阻和强化传热研究的现状和发展趋势 国内许多学者从事流动减阻和强化传热的综合研究，但主要研究了换热 的强化和流动阻力增加之间的对比关系，并在此基础上尽量减少强化传热带 来的阻力增加。 西安交通大学的宇波、王秋旺、陶文铨等用实验方法测定了波纹内翅片 管的换热与阻力特性d l ，得出了波纹内翅片管的阻力系数和努谢尔特数之间 的关系，进而可以得出对流换热系数和压力损失之间的关系，f = 口r ， n u = a r e 6 ，通过实验给出了口、t 、口、b 的值。在实际工程中，可以根据 此经验公式，综合考虑强化传热带来的节能收益和克服流动阻力的增加带来 的能耗。 清华大学的王崧、李忠信、过增元等通过不改变流体速度场但提高流体 导熟系数的方法 ”，用细金属丝在强化传热表面垂直来流方向布置纤毛肋， 获得了低流阻下的强化传热效果。 目前国外的强化传热和流动减阻综合研究集中在聚合物溶液法、磁流体 法、特殊表面法几种方法上。 1 2 1 聚合物溶液法 对于聚合物溶液法，国内外进行了很多研究，例如k o s t i c ，m 对粘弹性 聚合物添加剂在非圆形管路中强化传热的流动减阻的研究1 6 1 a 但是，聚合物 溶液改变了流体本身的物性，使其使用范围受到了很大的限制。 1 2 2 磁流体法 磁流体减阻和强化传热方面，b u e d i n g o n ，g v 、b a s h t o v o i 、k r a k o v 和t a i t s 1 对此进行了大量研究，取得了很大的进展。但是，该方法设备复杂、价格 昂贵，只能应用于一些特殊的场合，使用范围也很有限。 1 2 3 特殊表面法 在特殊表面法与上述两种方法相比有着自身的优点：首先，特殊表面法 不需要改变流体本身的性质，适用范围广；其次，特殊表面法结构相对简单， 费用相对低廉，可以广泛的应用于日常换热设备。因此强化传热与流动减阻 研究的重点都集中于此。 条纹面减阻和强化传热技术就是特殊表面法中一种。 条纹面技术起先主要集中在减阻研究方面。自19 7 6 年w 砒s l l 等人发现三 第章绪论 角型条纹薄膜的减阻可达7 后n ”，条纹减阻技术就引起的广泛的关注。 在条纹减阻性能和减阻激励研究方面，柏林的b e c h e r td w 和b r u s e d 等 利用一种测量阻力精确度可达0 3 的油管对各种条纹表面的减阻效能进 行了研究 1 7 l 。他们测试了多种形状的条纹，包括三维条纹以及三角形、半圆 形、刃形条纹。结果表明，三角形条纹减阻效果最好，最大可得到1 0 的减 阻幅度。b a c h e re v 和他的同事设计并测试了刃形条纹与喷射状狭长切口复 合的表面。他们设想通过湍流边界层的压力波动驱动流体在小的切口里如同 喷射般的进出，从而产生推力，进一步增大减阻幅度。最终利用这种形状的 条纹，测得的最大减阻幅度将近9 1 6 1 0 米兰大学的l u n c h i n i 等对条纹的形 状优化进行了技术和理论上的探讨。他们认为通过最大化条纹顺流向的突起 高度与其沿横向流动方向的突起高度之间的差距，就可以实现优化减阻。因 为这样就能使条纹对横向流动的阻抗最大而对纵向流动的阻抗最小 2 f l 。北京 航空航天大学的杨弘炜等，提出了一种菱形网状的小凹坑点阵结构。水洞实 验表明这种结构应用n a c a - - 1 6 0 1 2 翼型表面的减阻效果最高可达2 2 2 f l , 此外，人们还研究了压力梯度对条纹表面减阻效能的影响。荷兰代夫特 科技大学的d e b i s s c h o p 和n i e u w s t a d t 通过直接测量阻力和速度，发现在逆压 力梯度的湍流边界层中，采用条纹表面可以得到高达1 3 的减阻效果 2 6 j e 许多学者从不同角度对减阻机理进行探讨。g a l a g h e r 和t h o m a s 认为阻力 减小是由粘性底层厚度的增加引起的，b a t h e r 和s m i t h 归结为反向旋转的流 向涡与沟槽尖顶形成的小的二次涡的相互作用，认为二次涡减弱了与慢速条 纹相联系的流向涡，并在沟槽内保留低速流体。流动显示结果表明，注入的 染色液的展向扩散限于沟槽内，相邻沟槽阅的相互作用较弱。s t a r l i n g 和c h o i 认为最主要的是纵向凹槽与马蹄形涡相互作用并阻碍漩涡的进一步发展，从 而减低了湍能的耗损，实现了转捩延迟和湍流减阻。条纹间沟槽限制了流向 涡的展向运动，引起壁面猝发变弱，从而降低了湍能耗损，导致了壁面摩阻 的减少，w a l s h 认为狭窄的v 型肋间沟槽的沟谷保留有低摩阻的低速安静流 体因而降低了总的阻力l i f t 。这一点被p a r k 和w a l l a c 圮对沟槽侧面摩阻的精细 测量所证实，他们得到侧壁上面1 4 部分的摩阻与光滑面大致相等，其余3 4 部分比光滑面小，从而导致了总摩阻的降低。v a k o s l a v c e v i c 等通过测量 沟槽尖顶和低谷垂线上的流速分布得到在尖顶处摩阻增加8 5 2 7 1 ) 而在低谷 摩阻降低很多。 1 9 9 7 年c h o i 对加热条纹表面的传热性能进行了测量，实验装置如图1 1 ， 结果表明传热系数在y + 3 0 的区域内增加了1 0 1 2 1 e 雷诺相似原理这时显然 已经失效了。面且这时层流向湍流的转捩也可以被极大的延迟，同时湍流强 4 第一章绪论 度也降低了。这样强化传热与流动减阻在微型条纹表面可以同时获得。这项 发现为进一步开展流动减阻和强化传热的综合研究开辟了新的途径。 c h o i 在实验中应用了两组条纹，条纹形状分别为边长o 7 3 和1 8 3 r a m 的 等边三角形，通过努谢尔特数表示的强化传热效果如图1 2 所示，从图l 一2 中可以明显的看出强化传热的增加。 卜_ 一4 0 0 1 - 一2 s o 叫 1支撑架 图1 1c h o i 实验装置图 金植薄片 0 1 7 m m 图1 2 不同条纹雷诺数与努谢尔特数变化 rll啪lil 第一章绪论 图l 3 更能直观的表示出这种强化传热的增加，其中s + ：坐，缸为 v 摩擦速度，j 为条纹间距。 图1 3 强化传热增加量与无量纲条纹间距关系 1 3 目前研究中存在的问题 虽然对于条纹减阻的研究已经开展了2 0 多年，许多研究学者进行了大量 的实验，但是因为缺乏对湍流机理的明确认识和对条纹减阻细致的研究，人 们对条纹减阻的枫理还不甚明了。 另一方面，人们对于条纹对强化传热影响的认识刚刚起步不久，还比较 肤浅。而且由于缺乏对条纹减阻性能和强化传熟性能的系统研究，人们对不 同条纹形状对流动减阻和强化传热的综合影响还不甚明了。因此，下一步的 研究将集中于研究不同条纹形状尺寸对流动减阻和强化传热综合性能的影响 方面。 国内外学者对不同形状条纹表面进行了一些实验，得出的强化传热和流 动减阻韵效果是令人振奋的。迸一步的实验应该在此基础上进行并更加具有 针对性，从已经确定的最佳形状出发，进一步确定不同的尺寸对减阻和强化 传熟性能的综合影响。 k sc h o i 进行了大量的关于条纹减阻和强化传热方面的研究工作，目前的 许多关于条纹减阻和强化传热的综合研究都是建立在c h o i 的工作的基础上 的，但是遗憾的是c h o i 的研究仅仅局限在以空气作为介质的流动方面。b c c h e r t 的研究就更具有实际意义，他的研究集中在以石油作为介质的流动领域。然 而，永毕竟是换热设备中最常用到的介质，鉴于这种特殊性，以水作为介质 的情况下，条纹强化传热和流动减阻的研究应加大力度，得出的结论将具有 6 第一章绪论 更大的理论和现实意义。 目前以水作为介质进行系统的流动减阻和强化传热研究的报道还很少， 也没有得出相应的条纹尺寸与水的流动状态和温度等参数之间的关系，这些 因素阻碍了条纹减阻和强化传热技术的应用和推广。 1 4 本文研究的主要内容 目前，人们对于条纹形状对减阻的影响已进行了大量研究，但是对其在 强化传热方面作用的认识却相对不足。针对这些情况，本文确定了以下研究 内容： ( 1 ) 采用数值计算的方法，计算条纹对流动和传热的影响，并对强化传热 与流动减阻的相互关系及作用机理和影响因素进行分析。 ( 2 ) 根据计算的结果，加工相应的实验条纹面，设计制造安装实验装置。 ( 3 ) 通过实验的方式来确定条纹对于流动减阻和强化传热的综合影响，与 计算结果比较，分析二者差别及原因，检验计算结果的合理性。 ( 4 ) 通过分析比较以往评价强化传热与流动减阻的标准，尝试提出一种全 面的强化传热效率评价标准。 此外，本文希望通过对流场和温度场的计算和分析，了解条纹对流场的 影响，进一步解释条纹对流动减阻的影响。 7 第二章理论计算和实验条纹形状的确定 第二章理论计算和实验条纹形状的确定 本章的目的是为了确定实验所需研究的条纹形状和尺寸，计算的问题与实 验密切相关。为了便于实验和计算进行对比，本文将按照实验的要求描述该问 题，并进行理论计算。因为实验装置相对复杂，本文在计算模型的设定方面进 行了必要的简化。 2 1 计算问题概述 本文需要计算的问题为管内对流换熟问题，管道内流动的是两种流体， 两种流体被一金属铝板隔开，铝板上侧流动的为热水，流速在0 2 1 5 m s 之 间，温度在3 0 5 0 a c 之间，铝板下侧流动的为冷水，流速为0 3 8 m s ，温度 1 3 5 0 c 。如图2 - 1 所示，条纹截面形状如图2 - - 2 所示。 图2 一l 计算问题概述图 图2 2 计算管段截面尺寸图 锯褥屡田风 第二章理论计算和实验条纹形状的确定 2 2 几何参数的确定 2 2 1 条纹形状的确定 可以选择的条纹截面形状有很多，比方说三角形、半圆形、梯形、四方形 等等，前人对不同形状的条纹对流动减阻和强化传热的影响进行了详细的研 究。l i n d e m a n ”得到了不同条纹形状下的雷诺相似数( 条纹在强化传热的同 时降低流动阻力的现象可由雷诺相似系数表示，这个系数为2 s t c f ) ，结果显示 三角型条纹能够使雷诺相似数达到最大，传热系数可以提高3 6 ，其强化传热 性能最好。b e c h e r t 4 1 也测量了包括三角形、半圆形、刀锋形和一些三维的立 体波纹，三角形条纹的减阻效果最好，因此本文的研究重点将放在三角形条纹 的强化传热和流动减阻性能的研究上。 2 2 2 条纹尺寸的确定 对于三角形条纹，需要确定两个尺寸：条纹高度y 和条纹间距j ( 即三角 形底边长度) 。在c h o i 的实验中，以空气作为流动介质，条纹高度在0 3 o 5 m m 之间；b a c h e r t 以油作为流动介质，选取的实验条纹高度在7 1 0 m m 之间。在计 算此次之前，首先大体确定以水作为流动介质的计算条纹的高度y 。根据w a l s h t 1 3 1 、b a c h e rn 6 1 和b e c h e r t 1 7 1 的研究，三角形条纹的最佳减阻无量纲高度 y + = 1 0 1 5 ，而c h o it 1 2 1 认为三角形条纹的最佳强化换热无量纲高度为3 0 。我 们大致的确定计算范围区y + = 1 0 3 0 。根据图2 2 所标注的具体尺寸，计算当 量直径。 d h l = 等 ( 2 - 1 ) 耻等一( 圭y l l + 2 x 圭a i r ) + 圭删忡 ( 2 _ 2 ) 蚧2 瓜两+ ( + 1 ) ( 2 厚叫 ( 2 _ 3 ) 假设条纹尺寸h = 0 5 r a m ，s = 0 1 0 ，d h l = 2 2 2 6 m m 之间，已知流 体流速在0 1 。l 。5 m s 2 _ n ，流体定性温度在2 4 5 5 。c 之间。根据附表1 查得 流体运动粘度，r e ：竺盟得出，r e = 5 3 0 0 6 7 0 0 0 ( 当流速o 2 m s n 茎3 0 。c v 时取到下限，流速1 5 m s 温度5 0 。c 时取到上限) ，根据附表2 ，得到 = 0 0 0 4 0 3 第二章理论计算和实验条纹形状的确定 00 5 4 4 。根据 。+ ：2 型 v ( 2 - 4 ) 得出y = o 1 3 7 5 咖。由于实际铝板厚度的限制，我们将计算条纹高度 控制在0 1 5 5 5 珊之间。 由此取0 1 5 5 , 5 m m 2 _ n y = 1 珊作为计算条纹高度，条纹间距取 使得三角条纹顶角角度为直角的长度，即条纹间距是条纹高度的两倍。为了方 便后续的研究，取此次设定计算条纹名称为1 。 表2 1 条纹编号尺寸表 l条纹名称 条纹高度y ( i 咖) 条纹间距j ( 唧)条纹顶角 i112 9 0 0 2 3 有限容积法简介及计算软件的选定 有限容积法从描述流动问题的守恒型控制方程出发，对它在控制容积上作 积分，在积分过程中需要对界面上被求函数本身( 对流通量) 以及其一阶导数 ( 扩散通量) 构成方式作出假设，这就形成了不同的格式。由于扩散项多采用 相当于二阶精度的线性插值，因而格式的区别主要集中在对流项上。用有限容 积法导出的离散方程可以保证具有守恒性( 只要界面上的插值方法对位于界面 两侧的控制容积是一样的即可) ，对于区域形状盼适应性也较好，是目前最普 遍的一种数值方法。 本文使用了有限容积法计算软件f l u e n t ，不仅因为有限容积法在流体计算 方面的优势，但更多的考虑还是网格问题。g a m b i t 是f l u e n t 专用的c f d 前置 处理器，是一具有超强组合建构模型能力的前处理器，f l u e n t 系列产品皆采用 f l u e n t 公司自行研发的g a m m t 前处理软件来建立几何形状及生成网格，然后 由f l u e n t 进行求解。最后由t e c p l o t 后处理器处理结果。 f l u e n t 是用于计算复杂几何条件下流动和传热问题的程序。它提供的无结 构网格生成程序，把计算相对复杂的几何结构问题变得容易和轻松。可以生成 的网格包括二维的三角形和四边形网格；三维的四面体、六面体及混合网格。 并且，可以根据计算结果调整网格。这种阏格的自适应能力对予精确求解有较 大梯度的流场如自由剪切流和边界层问题有很实际的作用。同时，网格自适应 和调整只是在需要加密的流动区域里实施，而非整个流动场，因此可以节约计 算时间。f l u e n t 程序软件包各部分功能和相互关系如图2 - - 3 所示。 1 0 第二章理论计算和实验条纹形状的确定 图2 3f l u e n t 结构图 2 4 控制方程及湍流模型的选择 2 4 1 控制方程1 2 0 1 t 望+ 亟譬+ 塑譬+ 丛譬：o 质童守恒方程( 2 5 ) o t函却出 一o p u , + 剑+ 划+ 划：o t& o y 如 一瓦o p 地+ 如刳+ 如刳动量守恒蒯z e a ， + 鼬封+ 警+ 掣+ 掣+ 掣： 妒考屿+ 融刳+ 昙- 刳 动量守恒槲。嘞， + 昙k 警卜 警+ 掣+ 掣+ 掣： 一鲁岖+ 昙( 碡0 + 丢i 刳 动舯恒方姚e 。， + 文以警卜 言缸j ，) + 昙白，q r ) + 昙b ，c ，r ) + 妄b ：c p r ) = 軎p 刳+ 号p 刳+ 静 弓= 考p 割+ 万吖t - 妣d - j 、+ 孔刳 詈p 刳+ 茜p 割+ 昙p 刳 能量守恒方( 2 7 ) 粘性损失( 2 8 ) 计算问题中，r e = 5 3 0 0 6 7 0 0 ，流态为湍流，因此速度分解为 甘小竺i ：= 。：蔓。( z - ( 2 - 9 ) 项。施嬲繁燃程添椭项，称掷蝴w 雷诺应力项( 2 一l o ) 幺 卜 卯一七 墨 ，l a 一勿 + 、 卯一钞 芷 ，l a 一钞 + 习 k 鼠吼 j i 其 、， 墼缸 哥 砌研跚 翮跚瓣 a a 6一反a一簖e苏6斑a簖 = i i = 舭。 喈 警 第= 章理论计算和实验条纹形状的确定 雷诺应力项的出现使得求解控制方程组变得十分困难，考虑到雷诺应力项 的形式与动量方程中扩散项的形式相同，于是引入湍流粘度“和有效粘度总 的概念，将雷诺应力项写为： 一烈甜y 叫r 蓄 一d “。 ( 2 - 1 1 ) 将动量守恒方程仿照层流的形式书写，将湍流粘度和层流粘度之和写为 。= + ， ( 2 1 2 ) 求解湍流方程的困难转变为解湍流枯度“。由于将非稳态控制方程对时 间作平均，得到了未知的物理量的时均值，使得方程个数小于未知量的个数， 方程组不封闭。为了获得解，就必须进行假设，建立湍流模型。 2 4 2 湍流模型的选择 几种常用的湍流模型理论可以求解湍流粘度，下面简单的介绍一下常用的 k - 6 方程湍流模型，通过比较模型的优劣，选取适合的湍流模型。 k 2 弘l = l 。p ( 2 - 1 3 ) 丝+ 幽+ 型+ 必： a t反却出 去f 尝刳+ 品( 尝等1 + 昙( 尝笔 + 湍流动能方程c z 州， 缸l 吼苏j 砂l 叽砂j 钯l 听出 。 陟彤+ 警( 岛罢喝茜幅羽 丝+ 幽+ 捌+ 曼纽；尘： 8 l瓠 匆 a z 昙( 尝警 + 号( 矧+ 鲁( 矧+ ， c l 。以壬。一c 2 p + 业警( c 3 t 捣茜垤羽 2 4 2 1 标准k - 模型 c l ，c i 。= 1 4 4 ，c 2 = 1 9 2 ，c 。= 0 0 9 ，ok , = - - - 1 0 ，o 。= 1 3 ，o t = 1 ，c 3 = l ，c 产0 ，b = 0 时，2 1 4 、2 - - 1 5 式成为标准k - s 模型。标准k - s 模型虽 然能够解一般的管内流动问题，但是对于复杂的流动问题往往存在对湍流动能 第二章理论计算和实验条纹形状的确定 估计过大的问题。 2 4 2 2r n gk - s 模型 岛= 去g ，。+ 。) ( 2 - 1 6 ) r = 毛牺瓦( 2 - 1 7 ) d 1 一旦i 即1 4 2 一爿 ( 2 - 1 8 ) s ，为对称主流时均变形张量，u 。为流场速度分量。 卢= 0 1 1 2 ，c z = 1 6 8 ，cu = 0 0 8 5 ，口i = o 7 2 ，。= o 7 2 ，7 。= 4 3 8 。 与标准k - 占模型相比，r n gk - 占模型的最大特点就是在占方程的产生项 的系数q 。的计算中引入了主流的时均应变率s ”因此r n g k - 占模型中的c l 。不 仅和流动情况有关，而且和空间坐标有关。因此，r n gk - 占模型适合求解存在 剧烈几何形状变化的问题，丽本文所要进行的计算恰恰在条纹处存在大量剧烈 的几何形状变化，选用r n gk - 占模型能够较好的符合本题目的要求。 因此本文计算采用了r n gi - 占模型。 2 5 边界条件的确定 计算问题为稳态问题，因此只需确定边界条件。如前文所述，边界条件 列表如下： 表2 2 ( 各个表面的具体含义参见图2 - 1 、2 - 2 ) 表面速度边界条件压力边界条件温度边界条件 m | sp a 高温水进口a 。 u ，= o , u y = 0 “：= 0 5 10 1 5 高温水出口b ，p = 0 ( 相对压力) 低温水进口a 2 “= “，= o , 1 1 ：= 0 3 8 低温水出口b ：p = 0 ( 相对压力) 流体与管交界面 “，= “y = “：= 0 绝热 c l 流体与管交界面 ”f = u y = “：= 0 绝热 c 2 铝板上表面d 。 “r = “。= ：= 0 1 4 第二章理论计算和实验条纹形状的确定 ( 流体) 铝板下表面d ： j = ”v = , ：= 0 ( 流体) 铝板侧周面d 。 绝热 ( 固体) 本文一共进行了4 组条纹板计算，为了配合比较条纹板的强化传热和减阻 效果，还进行了对应的6 组平板计算，算例编号和条件如下表： 表2 3 平板计算算例编号 编号热水进口速度热水进口温度冷水进口速度冷水进口温度 s 1 0 5 m s3 0 8 k s 2 1m s3 0 8 k 0 3 8 m , s2 8 6 5 k s 3 1 5m s3 0 8 k s 4 0 5m s3 2 3 k s 5 1m s3 2 3 k s 6 1 5m s 3 2 3 k 表2 4 条纹板计算算例编号 编号 j ( 衄) y ( 啪) 热水进口热水进口冷水进口冷水进 速度温度速度口温度 c 1 2lo 5m s3 0 8 k c 2 210 5m s3 2 3 k c 3 211m s3 2 3 k o 3 8 m s2 8 6 5 k c 4 2 11 5m s3 2 3 k 2 5 物性参数的确定 在计算中流体温度的范围1 3 5 5 0 0 c ，在这个温度范围内密度的变化范 围在1 0 5 1 9 8 5 培m 3 之间，变化幅度为6 3 ，变化不大，而且在受迫流动 中主流方向的速度起到决定作用，因此忽略这种变化。 对于动力粘度和导热系数，在1 3 5 5 0 。c 的温度范围内变化较剧烈。在 本文研究中，对于每组实验，冷水温升和热水温降都很小，总体估计小于4 0 c 。 这个温度变化幅度并不会引起动力粘度和导热系数的显著变化。只需要根据冷 第二章理论计算和实验条纹形状的确定 热流体温度分别设定动力粘度和导热系数值，每组计算根据a n 温度不同调整 动力粘度和导热系数值，就可以满足计算精度的要求。 2 7 网格划分 本文计算的主要难度都来自热流体与铝板条纹面接触部分，因为这里形状 复杂且变化剧烈，尺寸又非常小，使得这些区域的网格划分异常的困难。 本文采用非正交结构化网格，应用g a m b i t 划分网格。具体网格划分如图 2 4 、2 5 、2 - - 6 所示： 图2 4 网格立体图图2 5 平板网格截面图 图2 6 条纹截面网格图 2 8 计算结果分析 计算管段的长度( z 方向) 和其他两个方向( x 、y ) 的尺寸相差悬殊 ( x ：y ：z - 1 ：1 ：1 8 ) ，为了更好的表现出温度场速度场压力场的沿流向的变化， 本文按比例x ：y ：z = i ：1 ：1 1 显示结果。结果分析图中的标注的实验编号对照表2 - - 3 、表2 4 ，图中的u 、t 分别代表热流体的进口速度和进口温度。 在结果的分析中反复的用到了条纹峰和条纹谷以及条纹腰的概念，其含义 分别为穿过三角条纹的截面三角形上方顶点的直线、穿过三角形下方顶点的直 第二章理论计算和实验条纹形状的确定 线、穿过三角形侧边中点的直线。 在结果显示中反复用到了几个切片来展示流场、温度场和压力场。切片 s l i c e z l 、s l i c e z 2 、s l i c e z 3 为沿流向依次排列的三个平行切片，切片位置 分别为z = o i m ，z = o 4 5 m ，z = o 8 m 。沿纵向平行位置有三个切片，位置分别为 x 一0 0 0 5 m ，x 一0 0 0 6 m 和x = - o 0 0 5 5 m ，如图2 7 。从中可以看到，x 一0 0 0 5 m 处为三角条纹峰处切片，x = - o 0 0 6 m 处为三角条纹谷处切片，x = - o 0 0 5 5 m 处为 三角条纹腰处切片。 s h z 3 s h 翻 z 厶 ， ， l一、 、= 丁 f i 。、 、 图2 7 切片位置图 一z = - o 0 0 5 n x = - o 嘶5 n i = - 0 6 n v x 2 8 1 平板和条纹面传热和流动性能的定性比较 2 8 1 1 流体温度场的比较 下图是选取的算例s i ( 平板) 和c l ( 条纹板) 进行的比较，其中，x 方 向代表纵向，y 代表法向，z 代表流向；沿法向方向上方为热水，下方流动的 为冷水。切片图为x = - o 0 0 5 ( 条纹峰) 处的流向切片。 从图2 8 中看出：条纹面上方的热流体的低温区域( 蓝色黄色区) 相对于 平板更大色彩更深一些。可以直观的得到条纹面换热的热流体出口温度更低一 些。从图2 9 中显示的温度分布可以看出：条纹面下方的冷流体出现了红黄 色的高温区域，而平板的下方冷流体温度明显偏低。由此可以知道，条纹面换 热的冷水出口温度要更高一些。条纹面获得了更好的传热效果。 9 b 7 b 5 h 3 工 j 第二章理论计算和实验条纹形状的确定 图2 8 热水温度场比较图 图2 9 冷水温度场比较图 2 8 。1 2 热流密度的比较 比较平板和条纹板热流密度能够获得更直观的认识，如图2 一1 0 所示。 第二章理论计算和实验条纹形状的确定 图2 1 0 热流密度比较图 条纹板热流密度分布与条纹谷对应情况，如图2 1 l ( 半板) 所示。 图2 一l l 热流密度与条纹谷对照图 从图2 一l o 中可以看到：条纹板正面( 图2 1 0 ( a ) ) 与平扳正面( 图2 1 0 ( c ) ) 1 9 第二章理论计算和实验条绞形状的确定 热流密度相比，分布更加均匀，当总体数值要偏低，这是由于换热面的增大造 成的影响。在相同的换热面积下比较就可以看到条纹面强化换热的效果。通过 换热面背面图2 一1 0 ( b ) 、2 - 1 0 ( d ) 的比较，可以清楚的看到条纹面的热流密度明 显的高于平板，且分布更加均匀。 图2 一l l 显示了条纹面热流密度与条纹谷的对应关系，在图的左侧，x 坐 标标出的位置对应着条纹谷，相邻两条条纹谷的中间位置为条纹峰。可以看出 在条纹谷处的热流密度明显的小于条纹峰处的热流密度，可见条纹峰对于传热 的强化起到了主导作用。 2 8 1 3 铝板温度 e 较 图2 一1 2 显示了条纹板与平板表面的温度分布，从图中可以看出，无论条 纹面的正面( 图2 2 3 ( a ) ) 还是背面( 图2 1 2 ( b ) ) 温度都要高于平板的正面( 图 2 - - 1 2 ( c ) ) 、背