基于場協同理論的脈動流傳熱機理探究

鐘英杰,王勛廷,黃　其,楊志超,楊臧健

(浙江工業大學 機械工程學院，浙江 杭州 310014)

基于場協同理論的脈動流傳熱機理探究

鐘英杰,王勛廷,黃其,楊志超,楊臧健

(浙江工業大學 機械工程學院，浙江 杭州 310014)

摘要：以場協同的視角探究脈動流強化傳熱的機理，搭建了三角槽道脈動流傳熱實驗臺，研究了Re為300和450兩種情況下不同脈動頻率時的換熱效果，并模擬分析對應情況下流場內部的協同性能.研究發現：在實驗頻率下，脈動流可以使Nu數較穩態時增長50%，全場平均協同數則增加了近1倍.脈動流對協同性能的改善與流場內渦運動有著密不可分的聯系，因為渦的生長壯大過程改善了溫度場與速度場的協同，并由此強化了傳熱。

關鍵詞：場協同；脈動流；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

脈動流傳熱是指由于系統因素或人工強制作用而使流量、流速、壓力、溫度等相關參數發生周期性脈動時的對流換熱過程.自Richadrson發現圓管內脈動流速度環效應以來[1]，劍橋大學M. R. MACKLEY[2],Ghaddar[3-4]相繼發現了脈動流可以強化傳熱的現象.隨后Greiner[5-6]通過實驗證實了Ghaddar的結論.Kim等[7]通過數值研究定性地指出強化傳熱效率與脈動頻率有關.Moon等[8]實驗證實了最佳脈動頻率的存在.Jafari[9],D.X.Jin[10],Yan Li[11]等的研究也發現脈動傳熱存在最佳頻率。

然而，對于脈動流傳熱的機理，以及脈動參數是如何加強換熱的，目前尚無定論.已有的機理沒有普適性.比如“減薄邊界層”無法解釋脈動流對圓管不能強化換熱的現象；“回流”機理很難解釋頻率與傳熱間存在最佳值的現象；“流體共振”分析了頻率對脈動傳熱的影響，卻無法應用于大幅度脈動換熱問題.我國學者過增元[12]提出的場協同理論，以新的視角解釋了對流換熱.隨后俞接成[13]模擬計算了環形內肋片圓管脈動流不同頻率的協同情況，吳艷陽[14]等研究了螺旋槽管內脈動流不同振幅的協同情況.都發現脈動流有效改善了速度場與溫度場的協同性.與已有機理不同，場協同理論著眼于流體微觀層面，從每個微元的速度和溫度特點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]基礎上設計并搭建了脈動流傳熱實驗臺，以截面周期性變化的三角槽通道為實驗換熱段，并借助CFD技術分析其場協同性能。

1實驗和模擬方法

1.1實驗臺的搭建以及實驗方法

實驗系統如圖1,2所示。

圖1　實驗系統流程Fig.1　Schematic of experimental system

實驗段是三角槽道結構，具體結構尺寸借鑒楊志超的實驗臺[18],在第5，9，15，25，29號槽上各安裝2個測壁溫熱電偶，安裝位置如圖3所示.用一臺隔膜泵來提供脈動流，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，設置了實驗系統和外界的循環水路，恒溫冷水不斷注入水箱，同時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數據采集儀采集壁面及進出口熱電偶的溫度.實驗采用等熱流法進行，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，通過變頻器調節加熱電壓以改變加熱功率，加熱片與環境間用珍珠巖絕熱處理。

圖2　實驗系統實物Fig.2　Photo of experimental system

圖3　槽道壁溫熱電偶布置Fig.3　Thermocouple location

通過調節閥門和稱量入口流體質量確定實驗段入口流速.調節隔膜泵的手輪來確定流體脈動振幅，手輪的刻度即是脈動振幅A.由變頻器的頻率換算得來的隔膜泵膜片振動頻率即是流體的脈動頻率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，進而得到溫差，由此可以得出每個工況的換熱效果。

1.2計算方法

定義Nu數為

式中：d為流道截面的當量直徑，m；l，w為實驗段截面的長、寬，m；k為流體的導熱系數，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Re，傳熱因子E的定義借鑒文獻[18].在Re為300和450的工況下先進行恒定流實驗，然后恒定脈動振幅A=0.2時，改變脈動頻率分別進行實驗。

1.3模擬方法

基于實驗段的幾何特征建立二維計算模型，劃分四邊形網格，采用Laminar模型，SIMPLE算法，Standard壓力，動量和能量方程采用二階迎風格式，入口邊界條件采用速度自定義函數

U=Us+UsAsin(wt)

式中：Us為主流流速；A為脈動振幅；t為時間；w為角頻率。

出口為outflow，上下壁面均為wall.設置時間步長為0.01 s.當壁面溫度基本不再變化，殘差曲線成周期性變化時，認為計算結束。

2結果分析

2.1實驗結果

從圖4，5給出了Re=300和Re=450各槽道的Nu，可以看出脈動流加強了換熱.Re=300,頻率為0.5 Hz時換熱效果最好.Re=450時,脈動頻率為0.65 Hz時達到最好.圖6的平均Nu數和圖7的強化傳熱因子也可以清晰地看到這一點，Re=300時的傳熱效果較穩態時增長50%。

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

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

圖6　平均Nu系數Fig.6　Average Nu number

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

2.2模擬結果

模擬比實驗多計算了兩個工況，從圖8,9可以看出：模擬出和實驗的結果趨勢相同，誤差在允許范圍內.造成模擬結果偏大原因是實驗過程中做不到完全的絕熱，從加熱片發出的熱量有一部分散發到環境當中，導致水溫偏低，溫差增大，Nu數偏小。

圖8　Re=300時，實驗和模擬Nu對比Fig.8　Comparison of Nu numbers between experiment and simulation Re=300

圖9　Re=450時，實驗和模擬Nu對比Fig.9　Comparison of Nu numbers between experiment and simulation Re=300

根據場協同理論，協同數為

式中:U為速度;T為溫度。

結合速度場分析穩態和Re=300,A=0.2,f=0.5 Hz時的一個周期內各個時間點全場平均協同數，周期平均協同數.圖10給出了兩種工況瞬時全場平均協同數和周期平均協同數的定量對比，圖11，12顯示了穩態和脈動流兩種工況下的速度場.圖12(a~f)分別是一個周期內6個時刻的速度場。

從圖10全場平均協同數明顯可以看出：f=0.5 Hz時的周期平均協同數較穩態時增長近一倍，說明脈動流明顯改善了速度場與溫度場的協同效果，強化了傳熱。

圖10　全場平均協同數Fig.10　Average field synergy number

圖11　穩態時速度場Fig.11　Velocity field of steady flow

圖12　Re=300, A=0.2, f=0.5 Hz時的速度場Fig.12　Velocity field: Re=300 A=0.2 f=0.5

結合渦的運動過程，著眼于脈動情況，可以發現：1/6周期時，渦開始形成，到2/6周期是渦漸漸長大，協同數也逐漸增大，到3/6周期渦繼續增大，協同數也繼續增大，并達到最大值.從4/6周期開始渦逐步減小，直到消失，協同數也逐漸變小，最后減少到比穩態時還小.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同性，而渦的消失過程減弱了溫度場和速度場的協同性.脈動流之所以能加強換熱是渦的生長過程在其中發揮了巨大的主導作用。

對比圖8，9兩種工況，三角槽道內部和主流區的協同數，可以看出：穩態時主流區域內協同數相對均勻，與三角槽道內的協同數相差不大；在渦流與主流區的交界處，協同數較主流區和三角槽道內偏小，協同效果較差.脈動情況下，主流區域內的協同數不再均勻，三角槽道內的協同數比主流區域大；在渦流和主流流體交界處，協同數比主流區域內大.因此，脈動流對流換熱協同性的改善作用，主要體現在三角槽道內和渦流與主流的交界處。

3結論

搭建脈動傳熱實驗臺，研究了Re為300和450時的脈動流傳熱.發現在f=0.6 Hz左右傳熱強化效果最好，Nu數較穩態時提高50%.模擬分析結果顯示脈動流明顯改善了速度場與溫度場得協同效果，使得全場協同數增大了近一倍.協同性能的改善與渦及渦運動有著密不可分的聯系，脈動流強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同性。

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(責任編輯：陳石平)

中圖分類號：TQ021.3

文獻標志碼：A

文章編號：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。

基金項目：浙江省科技廳基金資助項目(2014C31034)

收稿日期：2014-11-11