（工程热物理专业论文）自激振荡的实验及应用研究.pdf

重庆大学硕士论文 中文摘要 摘要 本文介绍了不同结构的h e l m h 0 1 t z 共振腔在不同的水力参数下产生的 自激振荡情况，以及将自激振荡应用于换热器上对强化换热的影响。在实 验的基础上得出几点重要结论。在合适的结构参数和水力参数，就可以产 生自激振荡。对于同结构的共振腔，水力参数不同，产生的自激振荡强 弱也不相同，随着压力的增加，自激振荡的强度也增加；将共振腔产生的 自激振荡引入换热器后，当自激振荡达到一定程度的强度后，可以强化换 热。不同的振荡强度，强化换热的效果也不同，存在一个最佳强度，此时 的强化换热效果最好，可以将表面换热系数提高3 0 左右；对于同一共振 腔，配合以不同的出口结构尺寸，对于换热效果的强化的影响变化不大： 出现最佳强化效果时的压力基本都在0 4 一o 6 m p a ，最佳的强化效果也都 是将表面换热系数提高3 0 左右。这一点对于将共振腔换热器应用于实际 工程中显得极为熏要。特别是对工程领域中已有的众多的换热器的改造显 得极为重要。 此外，作者对水一汽相变进行了数值计算。在定压汽化、定温降压自蒸 发、定压凝结、定温加压凝结、可用能、微层蒸发模型几个方面得出了一 些有用的结论。 关键词：h e l m h o l t z 共振腔，换热器，相变，强化传热 重庆大学硕士论文英文摘要 a b s t r a c t s e l f - o s c i l l a t i o ni n i t i a t e db yh e l m h o l t zr e s o n a n c ec h a m b e rw i t hd i f f e r e n t c o n f i g u r a t i o nu n d e rd i f f e r e n tw a t e r p o w e rp a r a m e t e r s i si n t r o d u c e di nt h e p a p e lt h ei n f l u e n c eo i lt h eh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n to ft h eh e a te x c h a n g e r b ya p p l y i n gr e s o n a n c ec h a m b e ri s d i s c u s s e di nd e t a i l s e v e r a li m p o r t a n t c o n c l u s i o n sb a s e do nt h e e x p e r i m e n t a r e g i v e n s e l f o s c i i l a t i o nc a nb e g e n e r a t e du n d e rs u i t a b l ec o n f i g u r a t i o na n dw a t e r p o w e rp a r a m e t e r s f o rt h e s a m ec o n f i g u r a t i o nr e s o n a n c ec h a m b e r t h ei n t e n s i t yo ft h es e i o s c i l l a t i o ni s c h a n g e db yt h ew a t e r p o w e rp a r a m e t e r s w h e n t h e p r e s s u r ei n c r e a s e s ， s e i f _ o s c i l l a t i o ni n t e n s i t yw i l li n c r e a s e b ya p p l y i n g t h es e l f _ o s c i l l a t i o n g e n e r a t e db yt h er e s o n a n c ec h a m b e rt ot h eh e a te x c h a n g e r ，a n dw h e nt h e s e l f - o s c i u a t i o ni n t e n s i t ya c h i e v e sac e r t a i nd e g r e e 、h e a tt r a n s f e rw i l lb e e n h a n c e d t h eh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n ti sd i f f e r e n tu n d e rd i f f e r e n to s c i l l a t o r t h e r ei st h eo p t i m u mo s c i l l a t i o ni n t e n s i t yu n d e rw h i c ht h eh e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n tw i l lb ei n c r e a s e db ya b o u t3 0p e r c e n t t h ec h a n g eo fo u t l e t s t r u c t u r es i z eo far e s o n a n c ec h a m b e rs h o w sl i t t l ee f f e c to nt h es t r e n g t ho f h e a tt r a n s f e r ：t h ep r e s s u r eo ft h eo p t i o n a lh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ta l w a y si s b e t w e e n0 4 m p aa n do 6 m p a a n dt h eo p t i o n a lh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ti s e n h a n c e db y3 0p e r c e n to rs o t h i sc o n c l u s i o ni sv e r yi m p o r t a n tw h e nw eu s e t h er e s o n a n c ec h a m b e rt oah e a te x c h a n g e ri ne n g i n e e r i n gp r o j e c t s ，e s p e c i a l l y f o rr e f o r m i n gt h ee x i s t i n gh e a te x c h a n g e r s f u r t h e r m o r e ，t h i sp a p e ri n c l u d e sn u m e r i c a lc a l c u l a t i o no fw a t e r - s t e a m p h a s et r a n s i t i o n w eg e ts e v e r a lu s e f u lc o n c l u s i o n so ni s o b a r i ce v a p o r a t i o n ， i s o t h e r m a lf l a s h ，i s o b a r i cc o n d e n s a t i o n ，i s o t h e r m a lc o m p r e s s e dc o n d e n s a t i o n a na n a l y s i so nt h em i c r o l a y e re v a p o r a t i o nm o d e li sa l s od i s c u s s e di nt h e p a p i e r k e yw o r d s ：h e l m h o l t zr e s o n a n c ec h a m b e r ，h e a te x c h a n g e r ，p h a s et r a n s i 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 重庆大学硕士论文 符号表 a ：面积 a ：声速 c ：比热、速度 d ：特征长度 e ：换热系数强化比 f 自由能、固有频率 g r ：格拉晓夫数 g ：自由焓、重力加速度 h ：焓、高度、传热系数 i f c：i n t e r n a t i o n a l c o m m i t t e e i ：虚数单位 j ：热力学流 k ：表面换热系数 k ：波数、弹性模量 l ：长度 n u ：努谢尔特数 p r ：普朗特数 p ：压力 q 、q ：热量 r 、r ：半径 下标： 1 ：液相 v ：气相 c ：临界 w ：壁面 上标： “：水 符号表 r e ：雷诺数 s ：熵 t ：温度 v ：容积 v ：比容、速度 x ：干度 t ：时间 ：化学势 n ：对流换热系数 f o r m u l a r j ：管壁厚度 m ：圆频率 z ：导热系数 m ：无穷大 a ：表面张力、折合比熵 f ：折合压力 z ：折台比容 s ：折合熵 妒：折合自由能 f ：折合自由焓 o ：折合温度 中：可舟能 v i m ：平均 t ：三相点 s ：饱和 f ：流体 ”：汽 重庆大学硕士论文 1 绪论 1 绪论 1 1 对流换热及其强化 在现代科学技术领域里，无论动力、冶金、石油、化工、材料等传统 工业，还是航空、航天、火箭、电子、核能、计算机等高新技术领域，都 不可避免的涉及到加热、冷却和热量传递的问题。例如，在动力工程领域， 换热器不仅是保证设备正常运转的不可缺少的部件，而且在金属消耗、动 力消耗和投资方面在整个工程中占有重要份额。据统计，在热电厂中，如 果将锅炉也视作换热设备，则换热器的投资约占整个电厂总投资的7 0 左 右。在制冷机中蒸发面的质量要占制冷机总质量的3 0 一4 0 ，其动力消 耗约占总值的2 0 一3 0 ，在以氟里昂为制冷剂的水冷单机组制冷机中， 蒸发器和凝结器的质量约占总质量的2 0 。再比如，在一般的石油化工企 业中，换热器的投资要占全部投资的4 0 一5 0 ，在现代石油化工企业中 约占3 0 一4 0 。我们可以看出换热器在这些行业的重要性。 在能源开发、利用中，与热能传递有关的问题相当普遍。强化传热在 能源的开发、利用和节约中起着重大的有时甚至是关键的作用。应用科学 技术的飞速发展和能源的严重短缺，不断地向强化换热提出新的要求，所 以强化传热研究的深度和广度日益扩大并向新的领域渗透和发展。因此， 强化传热学已成为现代科学中一个十分弓1 人注目的研究领域。 1 1 1 强化传热途径 对于表面式换热器，在稳定工况下，传热方程式为： q = h f a t ( 1 1 ) 其中：h 一传热系数( 酬( 坍2 足) ) ，一换热面积( m 2 ) a t 热流体与冷流体的平均传热温差( k ) 由此可知，要强化传热，即要提高换热器在单位体积、单位时闯内换热量 可以通过三种途径来实现，即：提高换热系数，增加换热面积和增大平均 传热温差。 增加平均传热温差以强化换热 增加平均传热温差的方法有两种。种是在冷流体和热流体的进出口 温度一定时，利用不同的换热面布置来改变平均传热温差。因此，各类换 热器的换热面都力求采用逆流或接近于逆流的布置。对于己作逆流布置的 换热器，就不可再用这种方法i 另一种方法是扩大冷流体和热流体的进出 重庆火学硕士论文 1 绪论 口温差以增加平均传热温差。但是，在实际工程中，冷热流体的种类和温 度受生产工艺和经济性的限制，不能随意变动。例如，在石化工业中，物 料的温度受生产工艺的所限，可调范围极小。虽说用以加热或冷却物料的 工质温度，可以根据所选工质的不同而不同，但是，加热或冷却工质的选 择本身并不是任意的，必须作技术经济比较来确定。此外，加热工质温度 选择，还受到被加热物料性质的限制，也不可能选得过高。因此，在石化 领域，通过加大平均传热温差以强化传热的效果是有限的。在核能工程的 反应堆冷却系统以及其它工程中，有时换热器的平均传热温差也是给定 的，这样也就不能靠增大传热温差来强化传热了。所以，增大平均传热温 差以强化传热的途径，只能在有限的范围内使用。 扩大面积以强化传热 通过增大面积以强化传热是增加换热量的一种有效途径。采用小直径 管子和扩展表面换热面均可增大传热面积。例如采用肋片管、螺纹管等。 采用扩展表面后，不仅增加了换热面积，如几何参数选择恰当，同时能提 高撅热器的传热系数。但同时也会带来流动阻力增大的问题。而且，在航 空、火箭、航天等动力工程领域，因空间有限而要求尺寸小的紧凑式换热 器。也就是说，这种增强方法的应用也受到限制。 提高传热系数以强化传热 提高换热器的传热系数以增加换热量，是强化换热的重要途径，也是 当前研究强化换热的重点。当换热器中的平均传热温差和换热面积给定 时，提高换热器中的传热系数将是增大换热器换热量的唯一方法。 传热学理论表明，当换热器管子壁厚不大时，稳定工况下，洁净换热 器的传热系数h 可按下式确定： 三：一1 + 尝+ 一1 ( 1 2 一) 一= + 一+ 一 t1 ) h 髓l 五口2 式中： 一管子材料导热系数( w ( m k ) ) 口。热流体与管子外壁之间的换热系数( 吲k 2 k ) ) 口：一冷流体与管子内壁之间的换热系数( r e b 2o k ) ) 占管子厚度( m ) 由于管子金属材料的导热系数很大，管子壁厚又较薄，所以在式( 1 2 ) 中 占似可视为零。因而，要增大传热系数可从提高管子两侧的换热系数口，和a ， 着手。增大换热系数的方法有很多。原则上可采用提高工质流速，使流体 横向冲刷管束，增加流体的扰动和混合，破坏流体边界层或层流底层的发 展，改变换热面表面状况等方法来提高换热系数。这些方法。对不同的传 2 重庆大学硕士论文 1 绪论 热过程，都有不同的强化传热效果。所以，在应用强化换热技术时，必须 根据换热器的具体情况分别采用适当的有效措旌。 1 1 2 现有强亿传热的措施”1 处理表面利用烧结的金属丝网、机械加工或化学腐蚀等方法，将传热 表面处理成多孔性表面或锯齿形表面，类似粗糙元结构，但几何尺寸微小， 所以它的目的不是扰动边界层，而是为了增加液体的汽化中心及气泡脱离 速度，适用于液体沸腾或蒸发时的传热过程。 粗糙表面粗糙元形状各异，从随机的和有规律分布的各种沙粒型三元 粗糙面，形状和尺寸各不相同的螺旋肋，重复肋和沟槽直至各类碾轧槽管。 其应用的目的是增加近壁区流体的紊流度，减少粘性底层的厚度以降低热 阻，而不是增加传热面积。 发展表面它包括外翅片和内翅片，对外翅片而言，主要是增加换热面 积，但对内翅片的传热，既可增加传热面积，又可提高换热系数。 扰流装置在高温物体内部冷却通道中，常常设置有与传热介质流动方 向相垂直的多排圆形或椭圆形的扰流柱。它不仅对冷却介质的流动起到很 大的作用，而且还能增加传热面积。 涡流发生器在传热流道入口处或整个流道中放置扭曲带、螺旋叶片或 静态混合器，可以使流道内的层流运动产生强烈的径向涡流运动，从而有 效的提高流道的层流换热。 螺旋管和扭曲管流体在弯曲或扭曲流道中所产生的与主流方向相垂 直二二次流，能够有效的增强层流状态下的换热过程。 添加物在气体传热介质中掺加固体微粒，可以增加传热介质的热容量 并且提高其传热系数。 流体脉动在管式表面式换热器中，将连续流动的流体通过一个脉动发 生装置使流体脉动，从而破坏流动边晃层，来增强换热。 强化换热的方法还有机械搅动、抽压法、换热面旋转法和传热面振动、 加入电磁场等。 1 1 3 不同强化传热技术的应用场合1 2 i 前面提到的那些强化传热技术，有的只适用于特定的某些传热介质和 传热过程，有的则对所有对流换热状态都有不同程度的强化作用。例如， 各种处理表面对于沸腾或凝结传热都有很好的强化作用，但对于单相介 质，却由于扰动作用太小而对流动及传热不起作用；各类粗糙表面，由于 边界层的破坏可以大幅度提高紊流状态下的换热强度，而在层流状态下因 热阻并不集中在近壁层中，因此只有螺旋粗糙元才能使流体产生旋流而对 3 重庆大学硕士论文 i 绪论 传热过程起一定的强化作用，但对紊流换热系数的提高却收效不大；强电 场的存在，不仅可以增强单相介质的层流换热，而且对于增强沸腾或凝结 状态下的传热也有明显的作用f j j ；各种不同的扰流子和发展表面，对于无 相变和有相变的换热过程都有一定的强化作用，其中发展表面尤其适用于 气体换热装置。 1 1 4 传热流体的物性与强化传热比1 传热流体的物性在选择强化传热方法时有举足轻重的地位。高粘度流 体在流道中常呈现层流运动，在有传热的情况下，流体的速度分布和温度 分布都属于抛物线型分布。流体和传热壁面间的温降发生在整个流动截面 上。因此，对层流换热所采取的强化措施必须使流体产生强烈的径向运动 以加强流体整体的混合。例如，在直流道内设置各种涡流发生器以产生与 主流方向垂直的二次流动。 粘性不高的流体很容易形成紊流运动。在紊流运动中，由于流体核心 流的速度场和温度场比较均匀，因此流动阻力和对流换热热阻主要存在于 贴壁的流体粘性底层中。流体的p r 数越高，层流底层的温度梯度也越大。 由此可见，对紊流换热所采取的主要强化措施必须破坏其边界层，即增加 边界层的扰动以减薄层流底层的厚度。例如，采用壁面扰流元件。在紊流 换热状态下采用壁面扰流元件增加换热的幅度，常常是随着流体p r 数的增 加而增加，所以，破坏边界层对高p r 数流体增强换热的效果特别明显：对 于气体，由于它们的p r 数只有0 7 左右，因此，其强化效果较差。 气体的粘度低，在强制运动时，一般呈紊流状态。气体的密度和导热 系数也很低，即使对于紊流换热，其换热系数也不高。目前，最有效的方 法是采用发展传热表面，即装置各种翅片以增加传热面积。采用翅化表面 固然能使换热量提高几十倍，但随着翅片高度和密度的增加，流体在流道 中的雷诺数却因传热面上湿周的增大而不断减小，从而导致翅片间换热系 数下降。 1 2 自激振荡射流概述 自从五十年代水射流技术从苏联引如中国，经过五十年的发展，水射 流的压力已从几个m p a 发展到上千个m p a ，其应用从简单地应用于采煤发 展到如今应用于钻井、切割、清洗、采矿等多种应用 4 1 。 水射流的种类很多，按照射流与周围介质来分，射流可分为淹没射流 和非淹没射流。具体地说，水在空气中喷射时即为非淹没射流，在水中或 其它液体中即为淹没射流；按射流的水力学特性，水射流可分为定常射流 4 重庆入学硕士论文1 绪论 和非定常射流，定常射流的特点是射流的各个截面上的流体力学特性不随 时间而变化，仅为位置的函数，非定常射流则与此相反。定常射流一定是 连续射流。在非定常射流中如果流体的压力随时间的变化是一个个的脉冲 波形，那么我们把这种射流称为脉动流。根据现代声学理论，连续流动的 流体流经h e l m h o l t z 共振腔后，将变成脉动流，随着共振腔的结构尺寸的 变化，脉动流的频率和幅度也随之变化1 5 。但是，至于h e l m h o l t z 共振腔 为何能形成自激振荡及脉动参数与共振腔结构尺寸是何关系，却存在各种 理论，没有共识。 1 9 9 0 年，蒋世全用有关行波和旋涡波的理论阐述了脉冲喷嘴自振脉冲 的机理，建立了自激振荡射流喷嘴腔内流动压力和速度的数学模型 扪。 p 。p o + p c o s k 。x + p 口c o s k v x ( 1 3 ) v = v o + v js i n k a x + v 口s i n k ，x ( 1 4 ) 式中： p a ：p 。，e 埘，p s ；p 。8 w ，v 。- 2 j p a t e - t ，。：墨投! p o c o尸o c l c 0 ；垒，k 。旦，k ，：兰 尸o 。 c 0q ：稳态压力，p 。：行波压力幅值，p 。：旋涡波压力幅值 风：稳态密度 c 。：稳态时来流波动速度，q ：稳态时腔内流体波动速度 k ：绝热体积弹性模量 w ：流体振荡的圆频率 足。；行波的波数，k 。：旋涡波的波数 应用该模型，他认为引起自激振荡的共振腔起着简单谐振器的作用。当射 入腔室流体的频率与腔室结构、几何尺寸决定的旋涡波的频率接近时，射 流产生谐振，幅值被放大，并一起向腔室出口传播。 1 9 9 2 年，王嘉松利用水电比拟的流体网络理论得出了自激振荡脉冲射 流喷嘴的固有频率的计算式【7 】： ，：旦， 。 2 石v 兕 ( 1 5 ) 式中： ：系统固有频率，a ：当地声速 a ：前喷嘴出口面积，r ：腔室容积，l ：前后喷嘴之间长度 1 9 9 3 年，杨秀夫认为，由于剪切层不稳定性对扰动具有选择性放大作 5 重庆大学硕士论文1 绪论 用，故当以速度旷在剪切层内随射流向下游传播的涡量满足其放大条件 ( 相位、频率) 时，则此扰动就在剪切层内得到放大。放大后的扰动再次 与下碰撞壁碰撞，又重复上述过程，从而导致碰撞区剪切层大幅度横向脉 动，波及射流核心，导致腔室出口处流体阻抗周期性变化，从而调剂流量， 形成脉动流悼j 。 l9 9 4 年，蒋海军基于非线性理论，认为：自振脉冲系统中形成自振脉 冲是所对应的非线性系统形成周期解。由于系统非线性，这种周期解并不 唯，在合适的结构参数及不同的水力参数下，自振脉冲系统可以形成不 同频率的自振脉冲。实际上，当往复泵泵送的流体( 水3 经过自振脉冲系 统的入口进入该系统并由出口流出时，该系统就形成了一个具有一定开放 程度和远离平衡的开放系统。又由于后碰撞壁对流体的碰撞及压力等反射 作用，系统便具有了非线性的反馈作用。如果腔室结构适当，便可形成非 线性的正反馈。同时，由于入口进入的射流与腔室内的流体通过动量、热 量、质量的交换而卷吸并产生各种尺度的旋涡后形成一定程度的湍流( 混 沌) ，这种湍流包含各种频率成分，彼此之间存在着竞争。 如果自振脉冲系统的结构参数与水力参数均合适的话，那么在具适当 开放程度，远离平衡存在非线性正反馈的该自振脉冲系统中。由于湍流中 某种频率的振荡在获取输入能量时抢先，那么，与之频率相近的振荡成分 则被迫与之同步振荡，而与之频率相差较远的振荡成分便衰减、消亡。于 是，各种频率成分的振荡便产生了协同，导致时序参量频率的出现。这 样，耗散结构就形成了，即产生了一定频率的脉冲射流。 如果自振脉冲系统的结构参数与水力参数不合适，则只形成湍流( 混 沌) 。但是，若湍流的频率结构稳定，则仍可形成定有序程度的振荡射 流，这种射流较之连续射流也可认为形成了一定的脉冲。 他认为，自振脉冲的形成是一个有序一混沌一有序的过程 9 】。 1 9 9 9 年，曾丹苓老师认为，h e l m h o l t z 共振腔出口的脉动流的形成，是 由于前喷嘴的射流在微观上是不稳定的，它与腔室尾部一定形状的壁面碰 撞后，经腔室内部的多次反射，多个压力波在共振腔出口发生如同光的衍 射那样的作用，不同的是，光的衍射情况下，波的叠加是在空间上；而此 处压力波的叠加是在时间上( 1 0 】【1 1 】。 1 3 问题的提出 面临日益严重的能源危机，除了开发可再生、低污染的新能源外，通 过先进的科学技术以节约能源及提高能源的利用效率是我们当前必须采 6 重庆大学硕士论文1 绪论 取的极其重要的方法。正如前面提到的，在当今相当多的工业生产部门， 有相当多的换热器，开发有效的强化换热的新方法，这种方法能经过对现 有的换热器采取简单的改造后即可取得巨大效益，在这种崭新思路的启迪 下，将h e l m h o l t z 共振腔应用于换热器的想法应运而生。它依靠共振腔产 生的脉动来破坏换热器的流动边界层，根据流体力学【1 2 1 和传热学 13 1 的理 论，层流具有边界层，紊流的边界层较薄，一般称为层流底层，管式换热 器内部的温度梯度主要集中在这两部分，在换热中如果能够有效的破坏边 界层和层流底层，将有效的提高局部努谢尔特数n u 。 我们将这种新型换热器称之为共振腔换热器。目前，有关自激振荡的 研究较多，主要集中在自激振荡产生的机理方面，目前国内学者提出了诸 多见解，没有共识，至于自激振荡的应用研究较少，特别是将之应用于换 热器的研究更少，我们需要做的关键工作是回答自激振荡怎样影响换热， 从丽为将自激振荡应用于工程领域扫清障碍。具体地说，首先我们要通过 对不同的振荡腔结构和不同的水力参数的组合对自激振荡的影响进行研 究，再通过对不同的自激振荡参数的脉动流对换热的影响的研究，来探索 自激振荡产生的机理，指导改进其结构尺寸，选取合适的运行参数，推广 其应用。 1 4 共振腔换热器概述 图1 1 共振腔结构示意图 f i g 1 1s k e t c ho fr e s o n a n c ec h a m b e rc o n f i g u r a t i o n 1 4 1h e l m h o l t z 共振腔原理 对于流体的自激振荡，d r o c k w e l l 和e n a u d a c h e r 根据流体诱发自激 振荡的原因，将其分为三类： 流体动力学激励。即通过剪切层不稳定性产生扰动，并使扰动放大， 再经反馈作用使抗动加强。 7 重庆大学硕士论文1 绪论 流体共振激励。即通过共振波效应引起脉动，在合适的流体结构中 产生驻波，将压力放大。 流体弹性激励。即通过结构固体边界周期性变形来产生脉动。 如图1 1 所示，来流通过前喷嘴进入腔室，腔室具有某种特殊形状，有 复杂的曲线型，如二次曲线、三次曲线，也有简单的圆柱型，还有锥面型。 从翦喷嘴出来的是定常连续淹没射流，它与腔室后壁面发生碰撞，经过反 射后再与前壁面碰撞，多次反复后，经后喷嘴流出，需要注意的是，这里 后喷嘴流出的流体是多个反射流与前喷嘴射流的混合，如果腔室结构尺寸 和前喷嘴射流的水力参数选取适当的话，后喷嘴出来的将是脉动流。这种 脉动流产生的条件及其产生机理正如自激振荡射流部分所述，已有一定的 研究，但还不成熟。 1 4 2h e l m h o i t z 共振腔的研究现状 目前，国内对自激振荡射流有着一定的研究，主要集中在西南石油学 院，他们研究的自激振荡射流主要着眼于怎样将射流的有效能量用于钻 井、切割、清洗。他们的研究中，对自激振荡的机理做了有益的尝试，对 结构参数和水力参数对脉动参数的影响也做了一定研究，取得一定的定性 定量关系，为我们的研究打下了很好的基础，但还不够深入。 水利部农村电气化研究所的汤一波【1 ”，利用分维数的研究方法，分析 了脉动压力的紊流分形特征，证明了紊流内在有序性的存在。在这里，分 维数是分形不规则程度的度量，与自相似规律紧密相关。所谓分形，是一 种认为混沌现象产生于有序规律之中，在所有表面的混沌现象背后都隐藏 着尺度大小不同的规律性结构的观点。分维数可有经典的整数维概念用自 相似性扩展而来，不过对于自然界中广泛存在的绝大多数分形图形或结 构，需要用测量的方法确定分维数。最常用的方法是盒子覆盖法和关联维 数法。作者应用关联维数法证实紊流的分形特征，计算了脉动压力信号时 间序列的关联维数，从而得出了上述结论，为我们描述紊流的基本运动形 态指明了所需交量的最小数目。 山东工业大学的李淑英【i5 1 ，靠机械搅动来产生脉动，利用实验的方法， 得出了管内流体脉动可以强化换热的结论。她们发现，不同的流动速度下， 脉动频率的变化对换热系数的大小影响不同；在流速一定时强化的效果 随自激振荡脉冲频率的不同而不同，存在最佳频率值。 他们的实验结果表明，流体脉动对强化换热的作用是十分显著的，脉 动时总换热系数一般要增加2 0 左右，折算成管内脉动侧对流换热系数至 少要增加4 0 ，强化效果是相当可观的。影响脉动强化换热效某的主要园 8 重庆大学硕士论文 1 绪论 索是脉动频率和平均流速。 脉动，就是管内流体流速在周期性地不断变化，因此，流速是影响脉 动换热的主要因素之一。由于脉动能提高流体的紊流程度，在较低流速即 层流时的换热也应有明显的强化作用。但由于流速过低，流体脉动的幅度 较小不可能引起强烈的扰动作用，因此适用于流体脉动来强化换热的流体 速度有一定范围。他们的实验表盟，在工业换热器常用的流速范围内 ( o 2 2 0 州知) ，脉动强化效果是很显著的，尤其是在0 8 脚肛左右的流速 附近更好。 脉动频率是影响换热的重要因素。低频时，提高脉动频率能够增强扰 动，换热效果随之增强。他们的实验表明，存在最佳频率。流体脉动强化 换热的机理主要是由于流体的脉动导致了壁面处旋涡的大量生成，从而增 加了流体的掺混。整个强化换热过程分为旋涡的生成、分解和扩散三个紧 密相连的环节。在这一过程中生成环节是占主导地位的。旋涡的生成密度 越大换热效果越好，而旋涡的生成是沿壁面径向速度梯度增大的结果，因 此造成大的径向速度梯度就能增强强化抉热效果。在低频时，提高频率能 够增强速度梯度，因此有利于换热。但过高的脉动频率会使流速得不到足 够的衰减，减弱脉动强度，反而不利于换热。因此，频率过高或过低都不 能导致旋涡的最大生成量，因而达不到最佳换热效果。这样必存在着一个 最佳频率值，在此频率下，一个脉动周期内可以得到最大旋涡生成量，从 而获得最好的换热效果。 1 4 3 自激振荡的数学模型 为了研究涡环与碰撞壁的相互作用，唐川林、廖振方【l6 】 提出了不可 压缩二维涡线模型，并对之进行了讨论。如图1 2 所示，假设通过保角变 换将任意的物理表面z 变换成平面 ，涡旋的尺寸忽略不计。 y j 圭：二j7 1： 二堕f 。 一1 = 、l 图1 2 流动分析的数学模型 f i g 1 2m a t h e m a t i c a lm o d e lo ff l o w 在变换平面中， 点的复速度势f ( ) 可以表示为 ，( 五) ：u 2 + i ! l n 丝( 1 6 ) 、7 2 r e 五- 2 0 9 重庆大学硕士论文 l 绪论 式中，r 为涡旋强度，m s ；凡为变换平面上的某位置； 时位置及共轭点；u 为射流速度，m j s ：i 为虚数单位。 。- f v ：婴盟l ：l 旦+ f 三土f l 一1 l 上 d 2 f ( a ) l u 。2 口u 。l 五一五。五- a o j f ( 五) ，旯。为涡旋的瞬 ( 1 7 ) 式中，u ，v 为x 点处的纵向和横向无量纲速度；u 。为射流轴心速度，m s ：h 为应变波形高度，m 。 对于保角变换后的速度场方程，可利用r o u t h s 定理和泰勒展开得到 u o - - l v 0 = 茜- i 丢彘去 7 拓一等去亭潞 s ， 2 l 瓦i 瓦j i j 7 丽一石瓦前 u 酬 式中，u o ，v o 位涡旋所在位置的纵向和横向无量纲速度。 为了估计单个点涡沿着流道向下游传播时在下游壁附近区域诱发的 压力脉动大小，则需计算涡旋对压力的影响，即计算压力系数c 。，c 。只包 含涡旋作用而不考虑射流束的影响，可表示为 c，：掣：下(e,-eo)-(e-po)“-v2m ：一) 一譬 ( 1 _ 9 ) 口p 、 a + 、 式中，a o t 为无量纲不稳定势；p k 为波动压力的参考压力，m p a ；p o 为 来流压力，m p a ：p 为系统压力。 求出压力系数c 。，就可找出涡旋对压力脉动大小的影响。 1 5 本课题的研究内容 国内外对共振腔换热器都做了一定的研究，包括机理和共振腔的应用。 但是，在共振腔的工作机理方面，有着不同的观点和绪论。在自激振荡产 生的机理上，就有不同的作者根据波动理论、耗散结构、水电比拟的网络 理论来进行解释，在解释水力参数和结构参数对脉动参数的影响时，也有 不同的观点。在自激脉冲的应用研究方面，目前还主要集中在钻井、切割 等方面。虽然，也有对脉动流体对换热强化的影响的研究，但这里的脉动 是机械产生的，对于考虑节约的能量和因此而多耗的机械功后的综合效应 反面，还没有人涉及。 需要我们做的工作很多，但是我们的研究时间较少，只能先就一些关 键工作进行研究，我们的主要精力将集中在实验上，就是要研究不同的共 振腔结构参数和不同的水力参数对产生脉动的影响，不同的脉动对强化换 热的影响。 此外，为了增强应用计算机进行科学研究的能力，还要把非平衡热力 学理论应用于相变的研究，我们以水为工质，进行计算，得出水的相变时 l o 重庆大学硕士论文 1 绪论 的动态规律。 1 6 非平衡热力学理论在相变研究中的应用 曾丹苓教授系统地创立非平衡热力学理论，为我们更加深入地研究热 现象打下了坚实的基础，特别是将非平衡热力学理论应用于相变的研究， 澄清了以前的些错误认识，得到了一些新的结论，使我们对相变的认识 更加深入。 在1 9 9 4 年，曾丹苓教授就在非平衡热力学理论的基础上提出了关于核 沸腾气泡长大的数学模型1 18 1 。作者认为，按照非平衡热力学理论任何相变 过程都是不可逆过程，驱动相变过程的热力学力为x = 心瓦一心瓦，与此 热力学力共轭的流为质量转化率厶，按照o n s a g e r 理论，j 与l 近似呈线 性关系。它是相变传热得以增强的重要机制之一。这时，除v r 外，另一 个热力学力舡应该是相变换热系数褥以大大提高的原因之一。 实际相交过程是同时存在传热、流体流动和相变的复杂耦合不可逆过 程，在此过程中系统作为挺体处于非平衡状态，而任何不可逆过程都是在 广义热力学力推动下产生与之共轭的流的结果。在相变过程中，有v r 驱 动的热流，。，v 矿驱动的动量流，。，及化学势差雏驱动的相变物质流，。 因此，在建立描述系统行为的数学模型中除应包含基本的守恒方程外还必 须加上这些流和广义力关系的本构方程。引入这些考虑后，得出了一些有 用的结论。 气泡的成长过程中蒸汽是沿多变过程膨胀的而不是沿饱和线膨胀，而 且也不满足c l a u s i u s c l a p e r o n 方程。驱动相变过程的热力学力a ( r ) 的大 小及其变化与过程特性有关。单驱动的，。是相变传热的重要机制之一。 沸腾现象是工程上常常遇到的极为重要的物理现象，在此过程中，气 泡的长大是一个兼有力学效应和热效应的物理过程。在1 9 9 7 年，曾丹苓 教授等人利用非平衡热力学理论研究了过热液中汽泡的成长【l9 1 ，她们认 为，从非平衡热力学的观点看，气泡的长大是一个多种不可逆因素共存的 非平衡态热力学过程，其中包含有限温差驱动的传热、两相化学势差驱动 的相转变以及由于流体粘性引起的能量耗散。经过数值模拟，他们了解了 不同情况下的汽泡成长过程，发现了汽泡不是仅仅经历了传统意义上的三 个过程即初期力学控制阶段、后期热控制阶段及中间过渡阶段。而是主要 经历了以下四个阶段： 初始阶段在汽泡成长的初期阶段由于离开初始平衡态不远，热力学力 和流的数值都不大，且两者近似呈线性关系。此阶段持续的时间较短。 重庆大学硕士论文 l 绪论 蒸发控制阶段在短暂的初始阶段后汽泡的压力p ”随表面张力2 盯尺的 迅速下降而下降，使得两相间的化学势差大大增加，导致相界面上的液体 剧烈的蒸发，使汽泡壁加速移动。k 迅速增高是这一阶段的基本特征。因 此，这一阶段是蒸发控制阶段，汽泡的长大由蒸发率控制。汽跑边界上液 体的迅速蒸发导致了边界温度丁。( 厂= r ) 的迅速下降，从而形成液体干扰层 内的温度梯度和热量的传递，以提供液体蒸发所需的汽化潜热q ，及多变热 q 。o 热扩散控制阶段随着蒸发过程的进行蒸发率，。随。的增加而增加。 与此同时，随着蒸汽压力p ”的迅速下降汽化潜热口。增加。所有这些因素都 要求能有更多热量通过干扰层传到界面上。然而随着汽泡的长大界面单位 面积上的传热量会减小。但传递的热量不能满足蒸发过程的需要时，虽然 相变驱动力。仍在不断增加，但蒸发速率将因能量供应不足而下降，这 就导致了肩一r 及，。一r 曲线上极大值的出现。通过极大值后汽泡长大的速 度会减慢下来。这时，汽泡的长大主要受干扰层传热速率的限制，所以称 之为热扩散控制阶段。 渐近阶段相变驱动力与传热驱动力相互竞争的结果最终导致一个两 者协调发展的阶段一定常蒸发阶段。同时，根据热力学原理，不稳系统一 旦失稳后将向个更加稳定的状态逼近。这就形成了汽泡成长的后期渐近 阶段。 当然，在不同的情况下，例如不同的工质、不同的汽化条件、不同的 压力、不同的液体初始过热度等等，在不同的阶段有不同的囡素占优势。 一般来说，初始过热度越高、多变指数越大那么汽泡成长速率也就越大。 从他们的工作成果中，我们可以看出将非平衡热力学理论应用于相变 领域的研究可以取得的成就，非平衡热力学理论是研究相交等不可逆过程 的有力武器，我们将之应用于水的相变研究一定可以取得事半功倍的效 果。 1 2 重庆大学硕士论文 2 换热器计算 2 换热器计算 实验中主要涉及的换热情况是管内强制对流换热和大空间自然对流换 热，对它们的计算在下面分别叙述。 管内强制对流，就流动形态看有层流和紊流，就边界条件看有定壁温 和定热流两种，就管子本身特点看有普通管和强化管，就加热状况看有加 热和冷却之分，就物性看有常物性和变物性的差别。在各种情况下计算管 内换热系数的处理方法各不相同。我们首先简要讨论一下这些因素的影 响。 2 1 管内对流换热的特征 就流动状态丽言，管内强制对流有层流和紊流之分，其分界点的临界 雷诺数r e ，= 2 3 0 0 。雷诺数大于1 0 0 0 0 后为旺盛湍流区，而一般认为 2 3 0 0 r e 6 0 ，则平均表面传热系数就不受入口段的影响。工程 技术中常常利用入口段挨热效果好这一特点来强化设备的换热。基于此， 一般的的特征数实验关联式都要引入入口效应修正系数。 就热边界条件而言，则有均匀壁温及均匀热流这两种典型情形。在均 匀热流情况下的充分发展段，管壁温度和流体温度的差值是常数，在入口 段，这个差值逐渐增大，直到等于充分发展段的差值。在均匀壁温的情况 下，流体的温度单调变化，管壁温度和流体温度的差值也单调变化。湍流 时。由于各微团之间的剧烈混合，除液态金属外，两种热边界条件对表面 传热系数的影响可以不计。但对层流及低p r 数介质的情况，两种边界条件 重庆大学硕士论文 2 换热器计算 下的差别是不容忽视的。 计算r e 数时用到的流速称为特征速度，一般取截面平均流速，且多通 过测定流量的方法加以确定：计算物性的定性温度则多为截面上流体的平 均温度( 或进出口截面平均温度) 。在用实验方法测定了同一截面上的速 度及温度分布后，采用下式确定该截面上流体的平均温度： ，：l o p t u d a( 2 2 ) 。2 l 22ocppuda 在我们的实验中，则采用实验的方法来测定：在测温点以前就将截面上各 部分流体充分混合，把这样测到的温度作为流体的截面平均温度。 在确定流体与一根长管道表面间的平均表面传热系数时，重要的是确 定平均温差。对于恒热流的情形，如果充分发展段足够长，则可取充分发 展段的温差f 。一t y 作为a t 但对于恒壁温的情形，截面上的局部温差在整 个换热面上是不断变化的，这时应利用以下的热平衡式2 0 】： 。a a t 。= c ，蝣一f j ) ( 2 3 ) 式中：q 。为质量流量，堙扣；，；、f j 分别为出口、进口截面上的平均温度； a t 。按对数平均温差计算 2 1 1 2 2 1 ： 出m 。翻t f - - t f 4 当进口截面与出口截面的温度差比e 。一4 ) ( 1 。j ) 在0 5 2 0 之间时，算 术平均温差( 。一兰i 与上述对数平均温差间的差别小于4 。 由于我们的实验都是紊流，故我们在这里只讨论紊流计算的实验关联 2 2 管内湍流换热实验关联式 对于管内湍流强制对流换热，实用上使用最广的关联式为迪图斯贝 尔特( d i t t u s b o e l t e r l 公式： n u ，= 0 0 2 3 r e p r ；( 2 5 ) 加热流体n = 0 4 时，冷却流体n = 0 3 时。此式适用于流体与壁面具有中等 以下温度差的场合。式中采用流体平均温度t ，( 即管道进出y l 两个截面平 重庆大学硕士论文 2 换热器计算 均温度的算术平均值) 为定性温度，取管内径d 为特征长度。实验验证范 围：r e ，= 1 0 4 1 2 1 0 。，p r ，= o 7 一1 2 0 ，t d 26 0 。 这里的中等以下温差，其具体准确数值要根据计算要求的准确程度而 定，有一定的幅度。一般情况下，对于气体不超过5 0 ：对于水不超过 2 0 一3 0 ；对于( 1 叩) p 玎出) 大的油类不超过1 0 。c 。 在有换热的条件下，管子截面上的温度是不均匀的。因为温度要影响 粘度，所以截面上的速度分布与等温流动的分布有所不同。先对液体作分 析，因液体的粘度随温度的升高而升高，液体被冷却时，近壁处的粘度较 管心处为高，因而速度分布低于等温曲线；若液体被加热，则近壁处的流 速高于等温曲线。近壁处流速增强会加强换热，反之会减弱换热，这就是 不均匀物性场对换热的影响。对于气体，由于粘度随温度升高而降低，那 么其情形与液体相反。总之，不均匀物性场对换热的影响，视液体还是气 体、加热还是冷却以及温差大小而异。在实用计算式中，往往采用在实验 关联式中引进修正因子b r 叩。) ”或( p r f p r 户来考虑不均匀物性场对换热的 影响。 对于温差超过前面范围的情形，可以选用下列实验关联式之一： 第一、在式( 2 - s ) a e 引入修正因子c ， 2 3 】： 厂t r 、o 5 对气体c ，= i 5 ( 2 6 1 ) l w 但当烟气被冷却时c + = 1 。 对液体铲吲躲：筠 亿讹， 式中刁，及巩分别是按流体平均温度及壁面温度计算的流体的动力粘度。 第二、采用齐德一泰勒( s i e d e r t a t e ) 公式：