（化工过程机械专业论文）ehd脉动流混合强化圆管对流换热的数值模拟及实验研究.pdf

独独 创创 性性 声声 明明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对 本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：毛志慧 2012 年 6 月 1 日 学位论文版学位论文版权使用授权书权使用授权书 本学位论文作者完全了解我校有关保留、使用学位论文的规定， 即： 我校有权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。本人授权武汉工程大学研究生处可以将本学位 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。 保 密 ， 在 年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名：毛志慧 指导教师签名：杨侠 2012 年 6 月 1 日 2012 年 6 月 1 日 a thesis submitted in fulfillment of the requirements for the degree of master of engineering numerical simulation and experimental research on convective heat transfer in circular tube by coupling effect of electro-hydro-dynamics and pulsating flow major : chemical process machinery candidate : mao zhihui supervisor : associate professor. yang xia wuhan institute of technology wuhan, hubei 430074, p. r. china may, 2012 摘要 i 摘要摘要 ehd(electro-hydro-dynamics)强化传热，又称电场强化传热，是 将电场基本理论引入到传热学领域，通过流场、温度场和电场之间的 多场协同作用达到强化传热的一种技术方法。 脉动流是指在恒定的压力（速度）梯度基础上叠加一个带有正 （余）弦变化的压力（速度）梯度并由其驱动的流动。 将 ehd 强化传热与脉动流强化传热相结合形成混合强化，是一 种全新的强化换热思路，如若能够产生复合效果，则有望开辟强化传 热研究的新领域，对节约能源、缓解能源紧张具有重要的经济价值及 社会效益。有鉴于此，本文采用数值模拟和实验相结合的研究方法， 对 ehd/脉动流混合作用对圆管层流的对流换热强化效果展开研究。 通过数值模拟发现，ehd/脉动流混合作用下，管内速度分布有 较大改变：速度分布呈波节状，具有明显的交替循环的低流速区和高 流速区；随着脉动幅度增加，低流速区的领域及区内的速度梯度逐渐 增大，同时高流速区向管中轴线方向收缩；在低流流速区靠近管壁处 形成了一个速度较低的紊流区， 在紊流区内， 流场方向不再保持一致， 而是杂乱无章的，紊流区的领域随脉动幅度增加而增大。 实验数据和数值计算结果均显示，在管壳式换热器中，ehd/脉 动流混合作用能够在 ehd 强化换热的基础上进一步强化层流对流换 热。通过分析，本文认为电场体积力和脉动流动的混合作用加剧了流 体电场分布的不均匀性，强化了流场中的电对流，进而强化了换热， 因此 ehd/脉动流混合作用能够产生一定的复合强化换热效果。 关键词关键词：ehd; 脉动流; 混合强化传热；数值模拟; 实验研究 abstract ii abstract electro-hydro-dynamics, called ehd, is a technology that introduce fundamentally electric theories into heat transfer domain for heat transfer enhancement accomplished by the coordination among flow field, temperature field and electric field. pulsating flow is one kind of fluid type propelled by a flow with constant pressure gradient (or velocity gradient) and simultaneously superimposed by a sine or cosine pressure gradient (or velocity gradient). it is a novel concept that synthesizing the ehd and pulsating flow for heat transfer enhancement, and if the synthesis generated positive coupling effect, it would explore a new domain for heat transfer enhancement, which should have important economic and social value for saving energy and easing energy crisis. therefore, this dissertation has presented a research on the coupling effect of ehd and pulsating flow for laminar convective heat transfer enhancement in circular tube with numerical simulation and experimental research. it can be found in numerical simulation that under the compound effect of ehd and pulsating flow that the shape of velocity distribution is corrugate and velocity distribution could obviously divided into the low-fluid-velocity area and high-fluid-velocity area which alternately and circularly appeared. as the growth of pulsating amplitude, both the territory of low- fluid-velocity area and the velocity gradient in the area would increase, meanwhile, the territory of high-fluid-velocity area will shrink toward the center of tube. furthermore, the low- fluid-velocity area near the wall will generate a low- fluid-velocity turbulent area where the fluid orientation is disorder. both the experimental datum and the results of the numerical 武汉工程大学硕士学位论文 iii simulation show that the compound effect of ehd and pulsating flow is able to enhancing the laminar convective heat transfer further than sole ehd effect. on the base of this paper, it can be analyzed that the compound effect of electric mass force and pulsating flow will intensify the inhomogeneity of electric field distribution in flow, leading to a more vigorous electric convection, and finally enhancing the heat transfer, so the compound effect of ehd and pulsating flow will generate compound enhancement performance. keywords: ehd; pulsating flow; compound heat transfer enhancement; numerical simulation; experimental research 武汉工程大学硕士学位论文 iv 目录目录 摘要 . i abstract . ii 目录 . iv 第 1 章 绪论. 1 1.1 研究意义 . 1 1.2 强化传热研究概述 . 2 1.3 脉动流强化对流换热的研究现状 . 2 1.4 ehd 强化传热的研究现状 . 4 1.5 本文主要研究内容 . 5 第 2 章 ehd/脉动流混合强化对流换热的前期基础研究 . 7 2.1 ehd 强化换热的理论基础 . 7 2.1.1 ehd 对流场的作用机理 . 7 2.1.2 自由电荷的生成 . 8 2.2 脉动流强化换热的理论基础 . 9 2.3 ehd/脉动流混合强化换热器平台的研制 . 10 第 3 章 ehd/脉动流混合强化层流对流换热的数值模拟 . 13 3.1 模拟软件 fluent 简介 . 13 3.2 基本假设 . 14 3.3 控制方程 . 15 3.4 物理模型及网格划分 . 17 3.5 边界条件及计算方法 . 18 3.6 udf 程序简介 . 18 3.7 模拟结果及分析 . 20 3.7.1 速度场分析 . 20 3.7.2 强化换热分析 . 26 3.8 本章小结 . 31 目录 v 第 4 章 ehd/脉动流混合强化层流对流换热的实验研究 . 33 4.1 实验方案及装置 . 33 4.1.1 换热管段 . 34 4.1.2 冷热流循环管路 . 34 4.1.3 静电场的加入 . 34 4.1.4 脉动流的加入 . 35 4.1.5 数据采集 . 37 4.1.6 换热流动的动力学特征 . 37 4.2 实验条件 . 37 4.3 实验步骤 . 38 4.4 实验数据处理 . 39 4.5 实验结果与分析 . 40 4.5.1 脉动参数、电极电压对传热性能的影响 . 40 4.5.2 强化换热分析 . 42 4.5.3 数值模拟结果与实验结果对比 . 45 4.5.4 误差因素 . 46 4.6 本章小结 . 46 第 5 章 结论与展望 . 49 5.1 研究结论 . 49 5.2 研究展望 . 50 参考文献 . 51 攻读硕士期间已发表的论文与专利 . 57 附录：部分实验采集原始数据 . 59 致 谢 . 61 项目资助 . 63 第 1 章 绪论 1 第第 1 章章 绪论绪论 1.1 研究意义 管壳式换热器是目前应用最为广泛的一类换热器，一直以来，其 巨大的能量损耗备受关注。目前为提高换热器换热效率，主要措施是 采用新型强化传热技术及方法，这其中脉动流强化传热与 ehd 强化 传热技术均属于当前正被广泛研究的新方法与新手段， 如若能够将两 种强化换热方法有机的结合起来，形成一种复合强化换热，对于推动 换热器强化换热技术发展具有重要意义。 电水动力学(electro-hydro-dynamics)强化传热，是通过将静电场 引入传热领域，利用热场、流场、电场三场耦合的协同作用以达到强 化传热目的一种技术方法，亦称为电场强化传热技术，该技术由英国 学者 chubb1首先发现并申请了专利。目前学者研究认为，ehd 强化 传热具有效果显著、热流和温度可控、功耗低等优点2-11。实验证实， 一定条件下 ehd 方法可使对流换热系数最大增加 100 倍，可显著提 高沸腾初期换热系数和旺盛泡状沸腾时临界热流密度(某些工质可提 高 5 倍),电场功耗却仅有几瓦十几瓦。 研究12-23发现， 脉动流产生的二次流能够显著改变了流动和热边 界层，传热系数随之增加(最高达 300以上)，同时流体脉动和换热 管振动对积垢具有抑制作用，能有效降低污垢热阻，具有复合强化传 热效果，鉴于上述积极因素，利用脉动流实现强化传热这一思想日益 引起关注。 本文研究在上述 ehd 强化传热、脉动流强化传热的基础上，将 两种不同的强化技术相结合， 尝试提出一种新的混合强化传热方法并 据此发展新型 ehd/脉动流混合强化传热换热器结构模型，研究内容 可望为强化换热领域提供一种全新的研究思路和发展方向。 武汉工程大学硕士学位论文 2 1.2 强化传热研究概述 传热是与人类的生存最密切的物理过程之一： 从现代楼宇的暖通 空调到自然界中风霜雨雪的形成， 从航天飞机壳体的热防护到电子器 件的有效冷去，无不与传热过程密切相关。随着人类工业技术的不断 发展，对传热现象的研究也日益深入，进入 20 世纪末期，随着世界 范围内能源危机的爆发，如何在传热过程中尽可能的减少热量损耗， 同时提高传热品质，成为传热领域研究的核心内容之一，强化传热学 正是在这一背景下应运而生。 强化传热是指在相关工程设备中采用强化传热技术， 以达到减小 换热设备体积和质量、提高换热能力减小换热阻力等目的。目前，对 强化传热研究日益受到科学界的重视， 各种新技术、 新方法层出不穷， 从不同的角度来看，强化传热技术主要可按以下进行分类： 1、按强化传热途径可分为：1）增大温差；2）增加换热面积；3） 提高传热系数. 2、按强化的传热过程可分为：1）导热过程的强化；2）单相对 流换热的强化；3）沸腾传热强化。 3、按强化的技术手段来分：1）无源强化传热；2）有源强化传 热。 本文所涉及的 ehd 及脉动流强化传热在机理上均属于有源强化 传热。 1.3 脉动流强化对流换热的研究现状 richadrson 等24首次在实验中发现圆管脉动流具有“速度环效 应” ，即在进行往复流动的流体内，圆管壁面附近的流速大于管中心 处的流速。uchida25、siege 等26计算解析出了平板和圆管的速度分 布， 将层流脉动流分解为瞬态速度 ut和稳态速度 us， 同时在理论上证 实了速度环。以此为基础，不同学者对脉动流强化换热的观点主要分 为以下四种： 第 1 章 绪论 3 1、脉动流能够强化对流换热脉动流能够强化对流换热。 densino 27、 clamne28等在 re1500 范围内对圆管脉动流进行了 实验研究，在低雷诺数的条件下，结果与 uchida25的解析解均吻合 较好；west、taylor29对管内对流换热特性进行研究，实验条件下往 复流动可使换热效率提高 60-70%；lemlich30 认为在多数情况下脉 动流可以强化传热，在其总结的 39 组代表性实验中，强化换热最高 可达 23 倍；barid31等通过研究发现脉动流可使对流换热系数最大提 高 3.25 倍，总换热系数提高 1.41 倍。zohir32等的实验表明在脉动频 率为 10hz 时，湍流的对流换热系数比相同雷诺数的稳态流提高了 50%。 2、脉动流会弱化对流换热脉动流会弱化对流换热。 siege26理论分析了脉动流对平板通道对流换热的影响，认为脉 动流的存在会导致热量由出口传递到入口，进而弱化换热。habib33 等研究发现，脉动流对对流换热的作用效果受流动状态的控制，但总 体上会弱化换热，以空气介质为例，当 re 较小时，脉动流对平均 nu 无影响，随着 re 的增大，平均 nu 逐渐降低，最大可达 13%，同时 其研究还发现脉动频率对换热效果起决定性作用。 3、脉动流对对流换热无明显影响脉动流对对流换热无明显影响。 ktia 等34理论分析脉动流对等壁温热边界条件下对流换热的影 响规律，发现由于脉动流的作用，在换热过程中努赛尔数会围绕稳态 值上下波动。 俞接成等35采用场协同理论得出了圆管脉动流对流换热 的解析解，并与数值模拟的结果相对比，认为脉动流只是使速度、努 赛尔数等参数围绕稳态值产生周期性的波动， 其周期内的时均换热效 果并无改善，脉动流对圆管对流换热无影响。 4、强化或弱化对流换热取决于参数条件强化或弱化对流换热取决于参数条件。 bamett 等36理论分析脉动流对圆管通道湍流对流换热的影响， 认为脉动频率是脉动流影响换热效果的决定因素， 当脉动频率较小时 脉动流能够显著强化换热，反之当脉动频率较大时会降低换热效果； 何雅玲、 杨卫卫等37-39数值模拟了脉动流对波纹矩形通道的换热效果 武汉工程大学硕士学位论文 4 的影响， 认为层流脉动流对周期性几何结构通道内的换热效果的影响 强于对平直结构通道的影响。darling 等40的实验结果表明，流动参 数、流动工质、脉动参数甚至控制阀门都对脉动流强化换热的效果有 着重要影响，当流动状态为湍流时，脉动流对换热的影响随控制阀门 的安装不同而不同；而当为层流工况时，脉动流对换热无明显影响。 1.4 ehd 强化传热的研究现状 电水动力学(electro-hydro-dynamics， 简称 ehd)强化传热， 是通 过将静电场引入传热领域，利用热场、流场、电场三场耦合的协同作 用以达到强化传热目的一种技术方法41。 1、根据传热方式的不同，对 ehd 强化换热的研究主要分为：1） 强制对流换热强制对流换热；刘振华等42实验研究了 ehd 对层流强制对流换热多 的影响， 结果表明， 当外加电压为 4kv 时， 换热效果最大可提高 7 倍， 同时管内压降仅增加 1 倍；罗小平等43-45实验研究了 ehd 对不同管 路对流换热效果的影响规律，认为当外加电压较低时，虽然换热效果 由明显提高，但管路的流动阻力亦大幅提高，综合效果并不好，当外 加高压大于 l5 kv 后，对流传热的综合传热效果显著增强。2）沸腾换沸腾换 热热；allen 和 cooper46-48 等的实验研究表明，电场强化水平低肋管 r114 管外沸腾传热，可以显著提高对流换热系数，最大可达 60 倍； 陈凤、宋耀祖49等基于蠕动流假设理论分析了电场对气泡的作用，认 为外加电场能够加速气泡内流体的运动，有利于核态沸腾换热； kweon 等50-51研究认为 ehd 作用可以明显改善多种工质的核沸腾传 热效果,同时认为交流电场的强化效果优于直流电场。 2、 根据工作介质的不同， 研究可分为： 1） 有机介质） 有机介质； 董伟等52-53 实验研究了 ehd 对不同低沸点有机工质 r11、r134a、苯对流换热效 果的影响，认为 ehd 强化效果随受工质电物性参数的变化有很大的 不同；paper 等54在 r123 中分别加入 2和 5润滑油，相同外加电 压条件下，加入润滑油的 r123 换热系数明显高于工质 r11 最大可为 第 1 章 绪论 5 后者的 2.5 倍， 且 ehd 对 r123 换热效果的影响取决于润滑油的浓度， 浓度越高强化效果越好。2）非有机介质非有机介质；yabe55以氮气为工质，讨 论了电场作用对对流换热的影响机理，认为在气体中，库伦力是电场 影响流场的主要因素， 其他作用力如电致收缩力和介电电泳力可忽略 不计。杨侠等56-57以水为工质研究了 ehd 作用对换热器对流换热的 强化效果，认为强化效果与流量和电场强度有关，水分子的电离程度 越大，强化效果就越好。 3、根据电场操作参数的不同，研究可分为：1）电极形状）电极形状； karayiannis 等58-59 以 r114 工质，采用穿孔板/杆状组合电极，电场 强化作用下的换热系数为常规流动的 2.5 倍。李瑞阳、刘永启60-61 等人在实验中发现非均匀电场对对流换热的强化效果优于均匀电场， 因此通过不同的电极形状产生非均匀电场可进一步增强对流换热效 果。 paper 等54 研究发现在相同条件下， 网状电极产生的电场强度和 电场非均匀性比直线电极、 螺旋电极更为优化， 且对流换热效果更佳， 强化系数可达 5，直线电极最高分别仅为 4.5，螺旋电极仅为 3.9。2） 电极布置形式电极布置形式；karayiannis 和 xu5-6 在实验中发现电极偏心布置对 换热的强化效果最佳， 并分析认为是滑移气泡数在电极偏心布置的条 件下最大的缘故。刘振华陈玉明等10 实验研究了电极数量对电场强 化传热的影响规律，发现 4 根电极强化效果明显强于 2 根电极，但电 极数量继续增加强化效果并未继续增强。 1.5 本文主要研究内容 目前，对于 ehd/脉动流混合强化传热这一较新颖的强化传热概 念，国内外相关研究尚不多见，许多研究内容仍属空白，因此本文在 发明专利62的基础上，通过结合实验和数值模拟开展研究，主要内容 有： （1）ehd/脉动流混合强化对流换热的前期基础研究。 武汉工程大学硕士学位论文 6 通过综合国内外学者的研究成果，对 ehd/脉动流强化传热机理 进行了初步的探索并以专利技术62为基础，试制混合强化换热器样 机。 （2）ehd/脉动流混合强化层流对流换热的数值模拟。 建立合适的几何模型和边界参数； 分析换热管内的流动等不可见 因素；分析不同强化参数对换热效果的影响；辅助分析 ehd/脉动流 混合强化的强化机理。 （3）ehd/脉动流混合强化层流对流换热的实验研究。 通过本课题组自行设计并制造的混合强化换热器实验平台， 分别 进行不同脉动频率、 脉动幅度和电极电压的组合实验， 分析实验结果， 总结混合强化传热的规律和特点。 第 2 章 ehd/脉动流混合强化对流换热的前期基础研究 7 第第 2 章章 ehd/ /脉动流混合强化对流换热的脉动流混合强化对流换热的前期前期基础基础研究研究 2.1 ehd 强化换热的理论基础 2.1.1 ehd 对流场的作用机理 ehd强化传热的实质是由电场产生电场体积力并作用于流体， 进 而使流场产生有利于换热的变化41。panofsky63等根据电动力学和电 磁学理论，得出在电场作用下，流体所受的电场力fe的一般表达式： t ee eeeqf 22 2 1 2 1 (2-1) 式中 fe电场体积力(n/m3); 流体的介电常数(f/m); r为相对介电常数; 流体密度(kg/m3); qe一电荷密度(c/m3); e电场强度(v/m); 在式(2-1)中，右侧第一项称为库仑力或电泳力(electro-phonetic force)，它表示电场施加于自由电荷的库仑力；第二项称为介电电泳 力(di-electrophoresis force)， 它表示的是在电场作用下由于介电常数 的空间变化而产生的施加于流体上的力；第三项称为电致伸缩力 (electrostriction force)，它是由于电场强度及介电常数的空间变化而 产生的施加于流体上的力。对于不同的工质和不同的传热方式，这三 种力的作用的大小各不相同。 （1）在单相气体所受到的电场力 常温状态下，气体的介电常数与真空中的介电常数相近，电 场对气体的作用力主要表现为库伦力， 因此电场对单相气体的体 积力可以简化为下式： eqf ee (2-2) 武汉工程大学硕士学位论文 8 （2）单相液体所受到的电场力 在单相液体中，电场和介电常数在空间上是不均匀的，这种不均 匀会使不同位置的液体产生压差，引起流体内的对流力，使流体向高 场强区域运动，形成电对流，增大了流场的扰动；同时流场的扰动会 进一步加剧流体中电场合介电常数分布的不均匀， 例如当流体中的温 度梯度发生改变，将使流体的导电系数产生变化，从而产生空间电荷 影响电场，因此在液相中式(2-1)中各项均会产生作用。 （3）电场对气泡的力 电场对气泡的作用主要是介电电泳力。为了说明其作用力，设在 一个介电常数1的工质中有一个介电常数为2、半径为 r 的球体。 pohl64认为，作用在球体上的介电电泳力 fd可表达为 2 12 12 1 3 2 2erfd (2-3) 2.1.2 自由电荷的生成 由上节可以看出，由电场引起的流体内的自由电荷是 ehd 对流 体产生作用的基础，对于电介质流体，各电力项可由式（2-4）表示： eee qdevevqj)( (2-4) 对于单相对流换热， 流体中的温度梯度会引起其电导率和介电常 数分布的不均匀。当 和 变化时，流体中会产生自由电荷。忽略电 荷运动，电荷密度可写为： ej (2-5) e qe (2-6) 在恒稳电流情况下，电荷分布不随时间变化，即有： 0 j (2-7) 由(2-6)至(2-8)可得： 第 2 章 ehd/脉动流混合强化对流换热的前期基础研究 9 eeqe (2-8) 和 作为流体本身的物性，主要与温度有关，假设两者仅为温度的 函数，则(2-9)可写为： dt d te dt d teqe (2-9) 通常情况下 的温度变化率很小，yabe65将(2-10)简化为： dt d teqe (2-10) 式(2-11)表示自由电荷的生成主要与 e、 及 随温度的变化率有 关。 2.2 脉动流强化换热的理论基础 目前，对于计算脉动流换热的解析解，场协同理论是一种重要的 理论方法。场协同理论把对流换热比拟为有内热源的导热过程，认为 热源强度不仅决定于流体的速度和物性而且取决于流速与热流矢量 的协同。 过增元66-68给出了表征速度场和温度梯度场协同程度的场协 同数如式（2-12）所示： 1 0 )(dyu prre nu fc (2-11) 式中 fc、nu、re 和 pr 分别表示场协同数、努赛尔数、雷诺数和普 朗特数，u 表示无量纲速度矢量，无量纲温度梯度矢量，场协同 数越大，则速度场与温度梯度场淡淡的协同程度越高。 将场协同理论应用于周期非稳态流动时， 可将场协同数分为瞬态 场协同数和周期平均场协同数如下： （式中下标 x、t 分别表示时间和 位置，上标*表示无量纲参量。 ） dy tre dyu prre nu fc xx tx tx 1 0 1 0 . . 1 )( (2-12) 武汉工程大学硕士学位论文 10 dtdyu tprre nu fc t x tx tx )( 1 0 1 0 . . (2-13) 从式（2-13）和（2-14）来看对于周期性流动换热问题，从周期平均 观点来看，非稳态流动时的场协同关系与稳态时类似。 俞接成35等运用场协同理论解析计算了脉动流对不同换热管对 流换热性能的影响，认为在圆管内脉动流既不强化也不弱化换热，脉 动流只是使瞬时努赛尔数围绕稳态值上下波动， 其周期平均值与稳态 值相同； 但在带内环肋的圆管内脉动流能够显著强化对流换热最大可 使换热强化 2.5 倍。该结论认为脉动流本身并不一定会对换热产生积 极影响，但当脉动流与其他强化方法结合时，会产生复合效果，这一 结论对本文具有重要的借鉴意义。 2.3 ehd/脉动流混合强化换热器平台的研制 如何将 ehd 技术和脉动流技术结合起来，是混合强化传热研究 的重要问题。一直以来，本文作者所在的课题组对 ehd/脉动流混合 强化换热器的研制进行大量的工作，目前，课题组已经取得了一些阶 段性成果。 （1）ehd 强化换热器 课题组在研究过程中采用杆状电极并据此提出了已获专利的偏 心布置的电场强化传热换热器结构模型69（见图 2-1） 。模型中将管 程端口入流改为侧口入流、换热管中电极(外敷绝缘层的金属芯棒) 采取偏心布置、用绝缘固定塞配压紧螺母进行电极固定，换热器结构 模型如下左图，布置偏心电极的单根换热管的结构如下右图。该模型 技术给出了电场强化技术应用于管壳式换热器的系统解决方案， 且为 工业化应用提供了具体的结构模型。 第 2 章 ehd/脉动流混合强化对流换热的前期基础研究 11 图 2-1 ehd 强化换热器示意图 （2）脉动流强化换热器 课题组提出了脉动流强化传热换热器结构模型70， 其基本思路包 括：1）设计了一种频率可控的脉动流发生器71，可安装于管程或壳 程；2）在在换热管中内置弹簧作为振动结构72。如图 2-2 所示.这种 基于管壳式换热器改进的脉动流强化传热换热器结构模型,提供了直 圆换热管内置直线式弹簧、波节管内置波节式弹簧两种模式,后一模 式提供了管程、壳程双脉动流强化的结构设计，原因是考虑到绕波节 管脉动流本身即具有的强化作用(该模式壳程脉动流强化中通过设定 脉动频率回避诱导换热管振动)。上述结构模型较好地解决了流体有 序脉动、结构振动破坏、换热管结构形式不变等问题，同时脉动流发 生器使脉动流与振动结构间频率匹配实现容易。 武汉工程大学硕士学位论文 12 图 2.2 脉动流强化换热器示意图 （3）ehd/脉动流混合强化换热器 为将脉动流(诱导振动)强化传热与电场强化传热进行技术组合， 提出具体可行的换热器结构模型，课题组提出了脉动流、电场混合强 化传热换热器结构模型62 ，如图(2-4)所示。该结构模型核心思想是： 将脉动流强化传热换热器70中的弹簧，作为 ehd 强化传热换热器69 的电极，首次给出了弹簧电极(外敷高压绝缘层的金属芯弹簧)的概 念。混合强化传热过程中，弹簧电极一方面在脉动流作用下振动强化 传热，另一方面振动形成动态、非均匀电场，对流体产生交变电场作 用力，实现动态电场强化传热。 图 2.4 ehd/脉动流混合强化换热器 第 3 章 ehd/脉动流混合强化层流对流换热的数值模拟 13 第 3 章 ehd/脉动流混合强化层流对流换热的数值模拟 本章通过数值计算的方法，采用商用 cfd 软件 fluent 模拟 ehd/脉动流混合作用对换热管内层流对流换热的强化过程。主要内 容包括换热管内速度场的规律分析；脉动幅度、脉动频率、电场强度 等参数对换热管内表面对流换热系数的影响规律等， 并将模拟结果在 下一章中与实验结果进行对比讨论。 3.1 模拟软件 fluent 简介 模拟采用商用 cfd 软件 flunet。 computational fluid dynamics（简称 cfd，计算流体动力学） ， 是用离散化的数值方法及电子计算机对流体无黏绕流和黏性流动进 行数值模拟和分析，其特点如下： （1）给出流体运动区域内的离散解，而不是解析解，这区别于 一般理论分析方法。 （2）他的发展与计算机技术的发展直接相关。这是由于模拟流 体运动的复杂程度、解决问题的广度和能模拟的流体远动的复杂程 度，都与计算机的运算速度、内存有关。 （3）若物理问题的数学提法（包括数学方程及相应边界条件） 是正确的， 则可在较广泛的流动参数 （如马赫数、 雷诺数、 气体性质、 模型尺度等）范围内研究流体力学问题，且能够给出流场参数的定量 结果。 由于严格的稳定性分析、 误差估计和收敛性理论的发展还跟不上 数值模拟的进展，因此在计算流体力学中，仍必须依靠一些简单的、 线性化的、与原问题有密切关联的模型方程的严格数学分析，给出所 求解问题的数值解的理论依据。依靠数值实验、地面实验和物理特性 分析，验证计算方法的可靠性，从而进一步改进计算方法。 flunet 是基于有限体积法应用于模拟具有复杂外形的流体流 武汉工程大学硕士学位论文 14 动以及热传导的计算机程序，它是目前国际上功能最广泛、适用性最 广、最全面的商用 cfd 软件之一。fluent 在模拟计算时主要分为 前处理、数值计算和后处理三个步骤： 如图 4.1 所示为 fluent 软件在模拟计算时的流程图。 其基本步 骤为：首先利用 gambit 进行计算区域几何形状的构建、边界类型 设置以及网格的生成，输出并读入 fluent 求解器中进行求解计算， 最后对计算结果进行后处理。 图 3.1 fluent 软件的基本程序结构 3.2 基本假设 为方便计算，节省成本和时间，同时突出主要研究对象，本次模 拟进行了适当的简化并提出了一些假设，主要有： （1）计算工质为水，不可压缩 newton 流体，模拟时忽略重力 场的影响。由于温度变化范围较窄，模拟中工质的粘度等动力物性参 数保持不变。 （2）管程雷诺数约为 1800，假定管程初始流动为稳定的层流。 （3）管内电场由连接直流高压的电极产生，电极排布如图 3.2 所示，电极与圆管同心布置，模拟时忽