2018传热传质学年会集

学术会 11，1，1*，2，1（1.郑州大学化工与能源学院热能系统节能技术与装备教育部工程，郑州2.西安交通大学热流科学与工程教育部，陕西西安（ ,: 摘要：超声波强化传热技术在基本不增加流动阻力的同时，大幅度提高了传热强度，拥有良好的应用前合“空化链式反应”和场协同理论解释了超声空化强化传热的本质原因；数值模拟方面，通过Fluent软件HeattransferenhancementmechanismandsimulationunderexternalZHOUJun-Jie1,ZHANGWan-Yu1,ZHANGDong-Wei1*,YANGWei-Wei2,WEIXin-(1.ResearchCenterontheTechnologyandEquipmentsforEnergySavinginThermalEnergySystemofMOE,SchoolofChemicalEngineeringandEnergy,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou,Henan450001,;2.KeyLaboratoryofThermo-FluidScienceandEngineeringofMOE,SchoolofEnergyandPowerEngineering,Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an,Shanxi,710049,):Heattransferenhancedbyultrasoundgreatlyimprovestheheattransferintensitywhileitdoesnotincreasetheflow ,andhasabroadapplicationprospects.Thispaperyzesthemechanismofheattransferenhancementbyultrasoundandconductsanumericalsimulationstudyoftheheattransferofthedouble-tubeheatexchanger.Firstly,theessenceofultrasoniccavitationenhancedheattransferisexinedbythecombinationof“cavitationchainreaction”andfieldcoordinationtheory.Then,Thedifferenceofdistributionofvelocityfield,pressurefield,temperaturefieldandfieldcoordinationangleofthree-dimensionaldouble-tubeheatexchangerwithandwithoutultrasonicfieldwassimulatedandcomparedbyFluentsoftware.Andtheeffectofheattransferenhancementofthemodelunderdifferentultrasonicfrequencieswasyzed.Keyword:Ultrasoniccavitation;Heattransferenhancement;Numerical引1917年，Rayleigh就首次提出了描述不可压缩液体中理想球形空化泡动力学的理论模型，系统地建立了空化理论，对空化效应的研究产生了重大影响[2]。T.G. ；化泡体积变化的规律。YuAn[4]建立了两种情况下的气泡运动方程，研究发现：相似尺寸的的剧烈程度。VanhilleCamposPozuelo[5]基于非线性代码开发了一个模型来分析一维驻波对于外加声强为I的超声波场的流体，忽略横波作用，声压的变化规律符合以下pp0sin(0t)

p0为声压的幅值，0p0IIp02/0c0为液体中的声速。

p

p。由受力平衡可得：pgpvph2/R其中，为表面张力系数，RpVconstpvR3

pgconst/R3ph2σ/R

Rpw包括pn包括饱和蒸汽压力和气体压力。在wWR04R2(w

-

REk1mv22Ek1(4r2dr)(dr

R 4R2dR4r将（9）两边同时对时间t求导得

R2

r p2/Rph-pg-pvdRp2/Rph-pg-pvdR0R2RR02 2R

dR3 dt3pph-pgdR0Rpph-pgdR0R

2RR02 2R

dR3R3-2pph-pgR03-R3-

dt

dt

30

1 t0.915 pp-

g10t0.915 p

h因此，空化泡的时间t只是空化泡的初始半径R0、液体静压力ph和液体密度 续下去，这种现象称为“空化链式反应。有试验证明，用900，000帧/秒的高速机记局部伴有高温、高压。根据试验现象，可以认为空化泡时产生了新的空化。

cpUT

T y

套管式换热器超声波强化传热模Fluent软件模拟外加超声波场对套管式换热器传热的影响。具体几何模型三11。1套管式换热器几何模型三视Fig.1Thedouble-tubeheatexchangergeometrymodelthree1数值（单位表达意符内管长内管直8外管长外管直D冷流体进/出管冷流体进/出管5超声波长超声波宽h2.2f

fufuU-pxxxyxz

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fT

fgradTfUT

结合本文实际问题及计算机性能和计算成本，采用TGrid网格类型对几何模型使用Gambit进行网格的划分。考虑到由于外场超声波的加入对壁面计算区域边界层的流场带来1.5%的网格数，符合网格无Model边界条件设置：冷流体设置为velocityinlet，流速0.05m·s-1，温度20℃；热流体入口设置为velocityinlet0.05m·s-1，温度95℃热流体出口均设置为pressureoutlet；超声波设置为pressureinlet，使用正弦压力波代替超声波，通过自定义函数UDF导入Fluent软件中。3392.8J13025.1J。有无超声波场时模拟值10%以内，故该数值计算可行。域流体的超声能量密度比较大，该区域是空化产生链式反应集中的区域。图 Fig.2Velocitycontourwithandwithout图 Fig.3Pressurecontourwithandwithout从内管处的368K降至出口处的360K，温降比无超声波场时小；冷流体在环面内与热图 Fig.4Temperaturecontourwithandwithout(a）场图 Fig.5Fieldcoordinationanglecontourwithandwithout20kHz、35kHz50kHz6显示了不同超声波频率对传热的影响不同，频20kHz366.97K，35kHz366.57K50kHz时平均温度则为353.35K。因此20kHz时传热效果最好，50kHz时传热效果。根据“空20kHz图 Fig.6Exportaveragetemperatureversustimewithdifferentultrasonic7显示了频35kHz50kHz时求解最终时刻的场协同角分布情况比图（b）20kHz50kHz频率为35kHz场协同角分布频率为50kHz场协同角分布图图7 Fig.7Fieldcoordinationanglecontourwithdifferentultrasound20kHz时传热效果最好。[1]曾坤.我国化工换热器研究进展和应用状况[J].山东化工2013,42(11)64-[2].超声空化影响因素[J].河北理工学院学报,2003,25(4):154-T.G.Leighton.TheRayleigh-Plessetequationintermsofvolumewithexplicitshearlosses[J].Ultrasonics,2008,48(2):85-90.Vanhille,CamposPozuelo.Acousticcavitationmechanism:Anonlinearmodel[J].UltrasonicsSonochemistry,2012,19(2):217-220.,姜任秋,淮秀兰等.声空化及其强化传热技术研究进展[J].报2004,25(119-荣兵兵.基于超声技术的沉浸式换热器强化换热的研究[D].合肥:合肥工业大学9-LauterbornW.CavitationLas