鐘英杰,王勛廷,黃　其,楊志超,楊臧健

(浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

基于場協(xié)同理論的脈動(dòng)流傳熱機(jī)理探究

鐘英杰,王勛廷,黃其,楊志超,楊臧健

(浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

摘要：以場協(xié)同的視角探究脈動(dòng)流強(qiáng)化傳熱的機(jī)理，搭建了三角槽道脈動(dòng)流傳熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)，研究了Re為300和450兩種情況下不同脈動(dòng)頻率時(shí)的換熱效果，并模擬分析對應(yīng)情況下流場內(nèi)部的協(xié)同性能.研究發(fā)現(xiàn)：在實(shí)驗(yàn)頻率下，脈動(dòng)流可以使Nu數(shù)較穩(wěn)態(tài)時(shí)增長50%，全場平均協(xié)同數(shù)則增加了近1倍.脈動(dòng)流對協(xié)同性能的改善與流場內(nèi)渦運(yùn)動(dòng)有著密不可分的聯(lián)系，因?yàn)闇u的生長壯大過程改善了溫度場與速度場的協(xié)同，并由此強(qiáng)化了傳熱。

關(guān)鍵詞：場協(xié)同；脈動(dòng)流；傳熱；渦；三角槽道

A study of heat transfer mechanism in a pulsating

flow based on field synergy theory

ZHONG Yingjie, WANG Xunting, HUANG Qi, YANG Zhichao, YANG Zangjian

(College of Mechanical Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

Abstract:In order to study the mechanism in a pulsating flow by field synergy theory, heat transfer at different frequency when Re is 300 and 450 was investigated both experimentally and numerically. The results show that pulsating flow enhances Nu number by 50% and field synergy number by 100%, respectively, compared to that in steady flow. Such improvement is closely related to the motion of vortex, especially by the generation and growth process of vortex, which greatly improves the coordination of temperature and velocity field。

Keywords:field synergy; heat transfer ; pulsating flow; vortex; triangle channel

脈動(dòng)流傳熱是指由于系統(tǒng)因素或人工強(qiáng)制作用而使流量、流速、壓力、溫度等相關(guān)參數(shù)發(fā)生周期性脈動(dòng)時(shí)的對流換熱過程.自Richadrson發(fā)現(xiàn)圓管內(nèi)脈動(dòng)流速度環(huán)效應(yīng)以來[1]，劍橋大學(xué)M. R. MACKLEY[2],Ghaddar[3-4]相繼發(fā)現(xiàn)了脈動(dòng)流可以強(qiáng)化傳熱的現(xiàn)象.隨后Greiner[5-6]通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了Ghaddar的結(jié)論.Kim等[7]通過數(shù)值研究定性地指出強(qiáng)化傳熱效率與脈動(dòng)頻率有關(guān).Moon等[8]實(shí)驗(yàn)證實(shí)了最佳脈動(dòng)頻率的存在.Jafari[9],D.X.Jin[10],Yan Li[11]等的研究也發(fā)現(xiàn)脈動(dòng)傳熱存在最佳頻率。

然而，對于脈動(dòng)流傳熱的機(jī)理，以及脈動(dòng)參數(shù)是如何加強(qiáng)換熱的，目前尚無定論.已有的機(jī)理沒有普適性.比如“減薄邊界層”無法解釋脈動(dòng)流對圓管不能強(qiáng)化換熱的現(xiàn)象；“回流”機(jī)理很難解釋頻率與傳熱間存在最佳值的現(xiàn)象；“流體共振”分析了頻率對脈動(dòng)傳熱的影響，卻無法應(yīng)用于大幅度脈動(dòng)換熱問題.我國學(xué)者過增元[12]提出的場協(xié)同理論，以新的視角解釋了對流換熱.隨后俞接成[13]模擬計(jì)算了環(huán)形內(nèi)肋片圓管脈動(dòng)流不同頻率的協(xié)同情況，吳艷陽[14]等研究了螺旋槽管內(nèi)脈動(dòng)流不同振幅的協(xié)同情況.都發(fā)現(xiàn)脈動(dòng)流有效改善了速度場與溫度場的協(xié)同性.與已有機(jī)理不同，場協(xié)同理論著眼于流體微觀層面，從每個(gè)微元的速度和溫度特點(diǎn)入手探究流體換熱特性.因此在李偉，李思文，張建華的研究[15-17]基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并搭建了脈動(dòng)流傳熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)，以截面周期性變化的三角槽通道為實(shí)驗(yàn)換熱段，并借助CFD技術(shù)分析其場協(xié)同性能。

1實(shí)驗(yàn)和模擬方法

1.1實(shí)驗(yàn)臺(tái)的搭建以及實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1,2所示。

圖1　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程Fig.1　Schematic of experimental system

實(shí)驗(yàn)段是三角槽道結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)尺寸借鑒楊志超的實(shí)驗(yàn)臺(tái)[18],在第5，9，15，25，29號(hào)槽上各安裝2個(gè)測壁溫?zé)犭娕?，安裝位置如圖3所示.用一臺(tái)隔膜泵來提供脈動(dòng)流，隔膜泵抽吸水口都連接在混合室上.為了保持水箱恒溫，且與室溫相同，設(shè)置了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和外界的循環(huán)水路，恒溫冷水不斷注入水箱，同時(shí)還有一支管路使得水箱的水不斷流出，注入和流出的流量相同.采用fluk數(shù)據(jù)采集儀采集壁面及進(jìn)出口熱電偶的溫度.實(shí)驗(yàn)采用等熱流法進(jìn)行，4片額定功率為500 W的聚酰亞胺薄膜加熱片粘在槽道外表面，通過變頻器調(diào)節(jié)加熱電壓以改變加熱功率，加熱片與環(huán)境間用珍珠巖絕熱處理。

圖2　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物Fig.2　Photo of experimental system

圖3　槽道壁溫?zé)犭娕疾贾肍ig.3　Thermocouple location

通過調(diào)節(jié)閥門和稱量入口流體質(zhì)量確定實(shí)驗(yàn)段入口流速.調(diào)節(jié)隔膜泵的手輪來確定流體脈動(dòng)振幅，手輪的刻度即是脈動(dòng)振幅A.由變頻器的頻率換算得來的隔膜泵膜片振動(dòng)頻率即是流體的脈動(dòng)頻率f.加熱片的熱流密度通過變壓器的電壓和加熱片的電阻求的.熱電偶測得出入口以及壁面的溫度，進(jìn)而得到溫差，由此可以得出每個(gè)工況的換熱效果。

1.2計(jì)算方法

定義Nu數(shù)為

式中：d為流道截面的當(dāng)量直徑，m；l，w為實(shí)驗(yàn)段截面的長、寬，m；k為流體的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；q為壁面熱流密度，W/m2；▽T為壁面與流體的平均溫差，℃。

雷諾數(shù)Re，傳熱因子E的定義借鑒文獻(xiàn)[18].在Re為300和450的工況下先進(jìn)行恒定流實(shí)驗(yàn)，然后恒定脈動(dòng)振幅A=0.2時(shí)，改變脈動(dòng)頻率分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.3模擬方法

基于實(shí)驗(yàn)段的幾何特征建立二維計(jì)算模型，劃分四邊形網(wǎng)格，采用Laminar模型，SIMPLE算法，Standard壓力，動(dòng)量和能量方程采用二階迎風(fēng)格式，入口邊界條件采用速度自定義函數(shù)

U=Us+UsAsin(wt)

式中：Us為主流流速；A為脈動(dòng)振幅；t為時(shí)間；w為角頻率。

出口為outflow，上下壁面均為wall.設(shè)置時(shí)間步長為0.01 s.當(dāng)壁面溫度基本不再變化，殘差曲線成周期性變化時(shí)，認(rèn)為計(jì)算結(jié)束。

2結(jié)果分析

2.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從圖4，5給出了Re=300和Re=450各槽道的Nu，可以看出脈動(dòng)流加強(qiáng)了換熱.Re=300,頻率為0.5 Hz時(shí)換熱效果最好.Re=450時(shí),脈動(dòng)頻率為0.65 Hz時(shí)達(dá)到最好.圖6的平均Nu數(shù)和圖7的強(qiáng)化傳熱因子也可以清晰地看到這一點(diǎn)，Re=300時(shí)的傳熱效果較穩(wěn)態(tài)時(shí)增長50%。

圖4　Re=300,A=0.2時(shí)，不同頻率下各槽道的Nu數(shù)Fig.4　Nu number of different groove Re =300, A=0.2

圖5　Re=450,A=0.2時(shí)，不同頻率下各槽道的Nu數(shù)Fig.5　Nu number of different groove Re=450,A=0.2

圖6　平均Nu系數(shù)Fig.6　Average Nu number

圖7　不同頻率下的EFig.7　E number at different frequency

2.2模擬結(jié)果

模擬比實(shí)驗(yàn)多計(jì)算了兩個(gè)工況，從圖8,9可以看出：模擬出和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果趨勢相同，誤差在允許范圍內(nèi).造成模擬結(jié)果偏大原因是實(shí)驗(yàn)過程中做不到完全的絕熱，從加熱片發(fā)出的熱量有一部分散發(fā)到環(huán)境當(dāng)中，導(dǎo)致水溫偏低，溫差增大，Nu數(shù)偏小。

圖8　Re=300時(shí)，實(shí)驗(yàn)和模擬Nu對比Fig.8　Comparison of Nu numbers between experiment and simulation Re=300

圖9　Re=450時(shí)，實(shí)驗(yàn)和模擬Nu對比Fig.9　Comparison of Nu numbers between experiment and simulation Re=300

根據(jù)場協(xié)同理論，協(xié)同數(shù)為

式中:U為速度;T為溫度。

結(jié)合速度場分析穩(wěn)態(tài)和Re=300,A=0.2,f=0.5 Hz時(shí)的一個(gè)周期內(nèi)各個(gè)時(shí)間點(diǎn)全場平均協(xié)同數(shù)，周期平均協(xié)同數(shù).圖10給出了兩種工況瞬時(shí)全場平均協(xié)同數(shù)和周期平均協(xié)同數(shù)的定量對比，圖11，12顯示了穩(wěn)態(tài)和脈動(dòng)流兩種工況下的速度場.圖12(a~f)分別是一個(gè)周期內(nèi)6個(gè)時(shí)刻的速度場。

從圖10全場平均協(xié)同數(shù)明顯可以看出：f=0.5 Hz時(shí)的周期平均協(xié)同數(shù)較穩(wěn)態(tài)時(shí)增長近一倍，說明脈動(dòng)流明顯改善了速度場與溫度場的協(xié)同效果，強(qiáng)化了傳熱。

圖10　全場平均協(xié)同數(shù)Fig.10　Average field synergy number

圖11　穩(wěn)態(tài)時(shí)速度場Fig.11　Velocity field of steady flow

圖12　Re=300, A=0.2, f=0.5 Hz時(shí)的速度場Fig.12　Velocity field: Re=300 A=0.2 f=0.5

結(jié)合渦的運(yùn)動(dòng)過程，著眼于脈動(dòng)情況，可以發(fā)現(xiàn)：1/6周期時(shí)，渦開始形成，到2/6周期是渦漸漸長大，協(xié)同數(shù)也逐漸增大，到3/6周期渦繼續(xù)增大，協(xié)同數(shù)也繼續(xù)增大，并達(dá)到最大值.從4/6周期開始渦逐步減小，直到消失，協(xié)同數(shù)也逐漸變小，最后減少到比穩(wěn)態(tài)時(shí)還小.因此可知，渦的生長壯大過程能夠改善溫度場與速度場的協(xié)同性，而渦的消失過程減弱了溫度場和速度場的協(xié)同性.脈動(dòng)流之所以能加強(qiáng)換熱是渦的生長過程在其中發(fā)揮了巨大的主導(dǎo)作用。

對比圖8，9兩種工況，三角槽道內(nèi)部和主流區(qū)的協(xié)同數(shù)，可以看出：穩(wěn)態(tài)時(shí)主流區(qū)域內(nèi)協(xié)同數(shù)相對均勻，與三角槽道內(nèi)的協(xié)同數(shù)相差不大；在渦流與主流區(qū)的交界處，協(xié)同數(shù)較主流區(qū)和三角槽道內(nèi)偏小，協(xié)同效果較差.脈動(dòng)情況下，主流區(qū)域內(nèi)的協(xié)同數(shù)不再均勻，三角槽道內(nèi)的協(xié)同數(shù)比主流區(qū)域大；在渦流和主流流體交界處，協(xié)同數(shù)比主流區(qū)域內(nèi)大.因此，脈動(dòng)流對流換熱協(xié)同性的改善作用，主要體現(xiàn)在三角槽道內(nèi)和渦流與主流的交界處。

3結(jié)論

搭建脈動(dòng)傳熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)，研究了Re為300和450時(shí)的脈動(dòng)流傳熱.發(fā)現(xiàn)在f=0.6 Hz左右傳熱強(qiáng)化效果最好，Nu數(shù)較穩(wěn)態(tài)時(shí)提高50%.模擬分析結(jié)果顯示脈動(dòng)流明顯改善了速度場與溫度場得協(xié)同效果，使得全場協(xié)同數(shù)增大了近一倍.協(xié)同性能的改善與渦及渦運(yùn)動(dòng)有著密不可分的聯(lián)系，脈動(dòng)流強(qiáng)化傳熱的原因在于渦的生長壯大過程極大地改善了溫度場與速度場的協(xié)同性。

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(責(zé)任編輯：陳石平)

中圖分類號(hào)：TQ021.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006-4303(2015)02-0180-05

作者簡介：鐘英杰(1962—)，男，福建安溪人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事火焰圖像處理，太陽能的利用以及污泥處置，E-mail：zhongyingjie@zjut.edu.cn。

基金項(xiàng)目：浙江省科技廳基金資助項(xiàng)目(2014C31034)

收稿日期：2014-11-11