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脉动流作为一种扰流技术,在工业界与学术界均得到广泛的认可,对其的研究价值主要体现在两个方面:其一,工程层面,研究出新型的复合强化传热技术,并依照强化传热技术制造出高效的换热器,对于现代工业的发展和节能具有重大意义;其二,学术层面,大力研究脉动流技术,尤其是归纳流动与传热物理规律、认识微观流动换热机理、探索流动减阻技术等,对于传热传质学科的完善具有重要价值。
本文将“以扩缩结构为特性的小尺度周期性三角凹槽流道脉动流”作为研究对象,采用理论建模、实验测试与数值模拟相结合的方式,全面解析脉动流的流动及传热规律,探究柔性壁减阻技术在脉动流中的适用性。其中,理论部分,借鉴经典的流体力学模型与血液动力学模型,对研究对象进行数学建模,理论分析脉动参数、几何结构、流道属性与流动阻力之间的作用关系;实验部分,搭建脉动流发生系统,研制满足测量需求的试验装置,利用测试数据得出相关规律,并对理论结果进行论证;模拟部分,采用Fluent模拟软件,深入研究多种尺寸结构的脉动流流动及传热特性,揭示脉动流的微观特征。基于此,本文的主要工作和成果如下:
(1)以“涡及涡运动”为视角,揭示了三角槽道脉动流的流场结构特性及涡旋演化规律。研究发现,脉动流条件,三角槽道内的涡旋产生了生成、发展、衰退以及消散的“有序”演化;脉动频率主要控住了涡旋的运动路径,而脉动振幅则是对涡旋发展形态产生较为显著的影响。
(2)借鉴二次流强度的定义方法,提出了描述脉动流强度的无量纲参数,并进行了实验与模拟的验证工作,为脉动流的定量表述提供了一种可行方案。
(3)基于力学平衡原则,引入涡旋拟“能”的微分方程,建立了脉动流阻力与涡旋之间的数学关联式,揭示了脉动流阻力与涡旋流场结构之间的内在联系。研究发现,脉动流时均压降与主流通道高度成反比,而与涡旋拟“能”成正比。在流道几何结构确定条件下,流道中的涡旋拟“能”直接决定了流动压降的增幅。
(4)实验研究了三角槽道脉动流的传热特性,分别讨论了脉动参数与流道结构对传热性能的影响规律。基于“热输运”观点,解析了小尺度三角槽道脉动流强化传热过程。研究发现,通过对不同物理量的组合协同关系调控,可以优化脉动流场的传热与流动状态。
(5)采用耦合仿生学方法,以“弹性腔模型”为参考,考虑柔性壁的非线性变形特点,提出了脉动流与柔性壁耦合的压降模型。通过测试实验,验证了数学模型的合理性,同时,基于量纲分析法,建立了预测针对脉动流的柔性通道减阻率的实验关联式。预测数据与实验数据的对比结果显示,195组实验值中76.4%的数据处于预测公式偏差的±25%以内。
(6)实验研究了小尺度柔性三角槽道脉动流的传热及流动特性。研究发现,柔性流道条件,脉动流可以起到强化传热的作用,并且可以兼顾流动减阻。不过,单就综合传热性能而言,刚性流道脉动流比柔性流道条件更具优势。
本文将“以扩缩结构为特性的小尺度周期性三角凹槽流道脉动流”作为研究对象,采用理论建模、实验测试与数值模拟相结合的方式,全面解析脉动流的流动及传热规律,探究柔性壁减阻技术在脉动流中的适用性。其中,理论部分,借鉴经典的流体力学模型与血液动力学模型,对研究对象进行数学建模,理论分析脉动参数、几何结构、流道属性与流动阻力之间的作用关系;实验部分,搭建脉动流发生系统,研制满足测量需求的试验装置,利用测试数据得出相关规律,并对理论结果进行论证;模拟部分,采用Fluent模拟软件,深入研究多种尺寸结构的脉动流流动及传热特性,揭示脉动流的微观特征。基于此,本文的主要工作和成果如下:
(1)以“涡及涡运动”为视角,揭示了三角槽道脉动流的流场结构特性及涡旋演化规律。研究发现,脉动流条件,三角槽道内的涡旋产生了生成、发展、衰退以及消散的“有序”演化;脉动频率主要控住了涡旋的运动路径,而脉动振幅则是对涡旋发展形态产生较为显著的影响。
(2)借鉴二次流强度的定义方法,提出了描述脉动流强度的无量纲参数,并进行了实验与模拟的验证工作,为脉动流的定量表述提供了一种可行方案。
(3)基于力学平衡原则,引入涡旋拟“能”的微分方程,建立了脉动流阻力与涡旋之间的数学关联式,揭示了脉动流阻力与涡旋流场结构之间的内在联系。研究发现,脉动流时均压降与主流通道高度成反比,而与涡旋拟“能”成正比。在流道几何结构确定条件下,流道中的涡旋拟“能”直接决定了流动压降的增幅。
(4)实验研究了三角槽道脉动流的传热特性,分别讨论了脉动参数与流道结构对传热性能的影响规律。基于“热输运”观点,解析了小尺度三角槽道脉动流强化传热过程。研究发现,通过对不同物理量的组合协同关系调控,可以优化脉动流场的传热与流动状态。
(5)采用耦合仿生学方法,以“弹性腔模型”为参考,考虑柔性壁的非线性变形特点,提出了脉动流与柔性壁耦合的压降模型。通过测试实验,验证了数学模型的合理性,同时,基于量纲分析法,建立了预测针对脉动流的柔性通道减阻率的实验关联式。预测数据与实验数据的对比结果显示,195组实验值中76.4%的数据处于预测公式偏差的±25%以内。
(6)实验研究了小尺度柔性三角槽道脉动流的传热及流动特性。研究发现,柔性流道条件,脉动流可以起到强化传热的作用,并且可以兼顾流动减阻。不过,单就综合传热性能而言,刚性流道脉动流比柔性流道条件更具优势。