Helmholtz共振腔脉动流体强化换热的试验研究

1、Helmholtz共振腔脉动流体强化换热的试验研究 更新时间：2011-07-21 15:40:09高虹，刘娟芳（重庆大学动力工程学院，重庆400044）摘要：采用试验研究的方法研究了流体力学不稳定性对强化换热的影响。水流经Helmholtz共振腔时被转变为脉动流体，脉动的水经单管换热器时被加热，测量不同条件下加装共振腔和不加共振腔时的换热系数。研究发现，加装了Helmholtz共振腔时换热系数明显提高约10%40%。关键词：Helmoholtz共振腔；强化换热；自激振荡中图分类号：TK12文献标志码：A文章编号：1001-5523(2009)02-0018-041引言当今世界能源危机日益加剧

2、，强化换热成为学者们研究的热点问题，流体脉动对强化换热的影响也引起人们极大的关注。一般认为流体脉动可以破坏热边界层，进而改变热阻以达到强化换热的目的。能够使流体产生脉动的措施有很多，如利用往复泵、稳流泵加装机械脉动部件等。本课题的创新之处在于设计制造了可以灵活改变结构的Helmholtz共振腔，并用于强化换热。由于腔体特殊的结构，利用流体动力学不稳定性，在不外加动力的情况下就可以使通过腔室的连续流体产生脉动，并且可以通过改变腔体结构来达到调节脉动特性参数的目的。2共振腔设计当一定参数的流体流过Helmholtz共振腔，流束中不稳定扰动波在穿过腔室剪切层时，由于剪切层是不稳定的，剪切层对扰动波有

3、选择放大作用，形成涡环结构。剪切流动中涡环与下游碰撞壁撞击在碰撞区产生压力扰动波并向上游反射，在上游剪切层分离处诱发新的扰动产生，当新扰动与原扰动频率匹配且具有合适的相位关系时射流上游就不断地周期性激励，其固有波形受到调制，Helmholtz共振腔内就产生流体自激振动并在下喷嘴出口形成脉冲射流13。这种具有一定频率脉动流导致壁面处旋涡的大量产生，从而增加了流体的掺混，破坏换热器的流动边界层的发展，保证壁面处始终处于较好的传热温差状态，从而强化换热4。本课题运用流体网络的水电比拟理论的相关知识，采用等效电路对Helmholtz共振腔进行简化，推导出共振腔固有频率的计算公式，然后讨论共振腔发生谐振

4、的条件，最后设计了共振腔。根据相关文献5，我们设计共振腔的简图，并将其简化为等效线路，见图1。根据水电比拟的流体网络理论，在Helmholtz共振腔的进口和出口，由于流体速度很高，所以应该同时考虑出现流阻和流感，因而在等效线路图中，有两个不同的流阻和两个不同的流感。由对应的等效线路图，可以列出流量和压力的关系方程如下：由上述求解方法可以看出，Helmholtz共振腔的固有频率完全由腔室本身的有关参数决定，它是Helmholtz共振腔固有的性质，只有在外加作用力的频率与Helmholtz共振腔的固有频率相等或成整数倍时，谐振才能发生。因此在实际应用中可以根据使用条件，采取改变参数L和C或改变外加

5、作用力的频率方法使Helmholtz共振腔在其固有频率下产生谐振。根据这个思路，我们将Helmholtz共振腔设计如图2所示。共振腔主要包括前喷嘴、腔室、后喷嘴、碰撞壁四部分。前喷嘴采用普通的渐缩喷嘴，后喷嘴为直管喷嘴，碰撞壁为截锥面形。3自激振荡脉冲射流强化传热实验为了验证Helmholtz共振腔产生的自激振荡脉冲射流是否可以产生强化传热，我们搭建了实验台进行实验（图3）。实验在一长2m、1215的换热器上进行，采用电加热方式，加热功率为10kW。在换热器管壁上布置8对热电偶，以测量管壁温度；在稳流段以前及换热器后布置热电偶各1对，分别测量流体进出口温度；保温层外布置2对热电偶测量保温层外表

6、面温度。实验中，共振腔的尺寸为：d15mm，d26mm，d40mm，共振腔后喷嘴长度为：12mm、17mm、18mm、23mm、25mm，腔室长度为：10mm、11mm、12mm、13mm、14mm。通过测量流体进出口温差、流量求得换热量，并得到换热系数h和强化比E：E=h/h0(6)其中E为换热系数强化比；h为有共振腔时的换热系数；h0为没有共振腔时的换热系数。4结果及分析实验在保证流体流速基本稳定的情况下进行，实验中的流速范围是57.5m/s；换热器的加热功率为3028W、4378W、5288kW；共振腔前后的压差为0.425MPa、0.375MPa、0.35MPa、0.31MPa、0.2

7、9MPa；流量为0.466kg/s、0.43kg/s、0.41kg/s、0.38kg/s、0.36kg/s。实验在不同工况下交叉重复进行，求出不同加热功率和流量条件下的传热系数h及强化比E。4.1强化比E与流量及压差的关系本实验中通过调节压力表后的阀门来调节共振腔前后的流量及压差。强化比与流量的关系以及流量与压差的关系如图4，5所示。从图中可以看出：在合适的水力参数和结构参数的配合下，Helmholtz共振腔产生的脉动流将明显地强化换热。这是由于随着流量的增大，流体动量随之增大，此时产生的脉动比较强烈，破坏了流动边界层，降低了热阻，从而强化了换热。本实验中的强化比范围是1.011.74，比较稳

8、定的强化比是1.11.4。由于压差与流量呈正相关关系，当压差增大时，将产生更为强烈的脉动流，从而明显地提高流体的紊流程度，强化管内流动换热，故较高压差时的强化比大于较低压差的强化比。在流量及压差较小时，使用共振腔时不一定能起到强化换热的作用。原因是：在较小的流量及压差下，射入共振腔的流体动量较小，不足以形成反馈放大的自激振荡现象，并没有形成脉动流或脉动现象比较微弱，不能引起换热段流体的强烈扰动，所以不能强化换热。4.2强化比E与后喷嘴长度的关系为了分析Helmholtz共振腔后喷嘴长度对强化换热的影响，保持流量和腔室长度不变，通过加装不同的芯子改变后喷嘴长度，调节范围是1225mm。强化比E和

9、后喷嘴长度的关系如图5所示。从图5中可以看出，随着共振腔后喷嘴长度的增加，强化比的变化比较明显，对于一定的共振腔，存在最优的后喷嘴长度。如：当流量=0.466kg/s，共振腔后喷嘴在1823mm时有利于强化换热。4.3强化比与腔室长度的关系为了分析Helmholtz共振腔腔室长度对强化换热的影响，保持后喷嘴长度不变，通过加装不同厚度的垫片改变腔室长度，测得强化比，如图6所示。从图6中可以看出：腔室长度会影响强化比，随着腔室长度地增加，强化比呈现上下波动。当腔室长度为11mm和13mm左右时，强化比最小；当腔室长度为12mm时，强化比最大。5压力损失图7为压差随流量的变化。随着流量的增大，压差随

10、之增大。因此，随着压差或流量的增加，都将增大流体的脉动程度，达到更佳的换热效果。但是加装了Helmholtz共振腔时的压降总是略大于无共振腔时的压降。也就是说，流体流过共振腔时有压力损失，将Helmholtz共振腔应用于实际换热器时会增加动力投资。但是，相对于换热系数的提高，这部分损失是可以接受的。6结论（1）对于本课题设计的共振腔，只要配合以适当的水力参数，就可以产生自激振荡脉冲射流。（2）将共振腔产生的自激振荡脉冲射流引入换热器后，当自激振荡的强度达到一定程度后，可以强化换热。只要选定合适的水力参数和结构参数，共振腔可以将管内流动换热系数提高10%40%。（3）共振腔的结构变化会影响流体的脉动频率和幅值，从而影响脉动流的强化换热效果。（4）共振腔不是在所有的工况下都可以强化换热的。当压差及流量小至一定程度时，使用共振腔还可能弱化换热。参考文献：1廖振方,唐川林.自激振荡脉冲射流喷嘴的理论分析J.重庆大学学报,2002,(2):24-27.2唐川林,廖振方.自激振荡脉冲射流装置的理论分析和实验研究J.煤炭学报,1989,(1):90-100.3蒋海军