基于场协同理论的脉动流传热机理探究

钟英杰,王勋廷,黄　其,杨志超,杨臧健

(浙江工业大学 机械工程学院，浙江 杭州 310014)

基于场协同理论的脉动流传热机理探究

钟英杰,王勋廷,黄其,杨志超,杨臧健

(浙江工业大学 机械工程学院，浙江 杭州 310014)

摘要：以场协同的视角探究脉动流强化传热的机理，搭建了三角槽道脉动流传热实验台，研究了Re为300和450两种情况下不同脉动频率时的换热效果，并模拟分析对应情况下流场内部的协同性能.研究发现：在实验频率下，脉动流可以使Nu数较稳态时增长50%，全场平均协同数则增加了近1倍.脉动流对协同性能的改善与流场内涡运动有着密不可分的联系，因为涡的生长壮大过程改善了温度场与速度场的协同，并由此强化了传热。

关键词：场协同；脉动流；传热；涡；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

脉动流传热是指由于系统因素或人工强制作用而使流量、流速、压力、温度等相关参数发生周期性脉动时的对流换热过程.自Richadrson发现圆管内脉动流速度环效应以来[1]，剑桥大学M. R. MACKLEY[2],Ghaddar[3-4]相继发现了脉动流可以强化传热的现象.随后Greiner[5-6]通过实验证实了Ghaddar的结论.Kim等[7]通过数值研究定性地指出强化传热效率与脉动频率有关.Moon等[8]实验证实了最佳脉动频率的存在.Jafari[9],D.X.Jin[10],Yan Li[11]等的研究也发现脉动传热存在最佳频率。

然而，对于脉动流传热的机理，以及脉动参数是如何加强换热的，目前尚无定论.已有的机理没有普适性.比如“减薄边界层”无法解释脉动流对圆管不能强化换热的现象；“回流”机理很难解释频率与传热间存在最佳值的现象；“流体共振”分析了频率对脉动传热的影响，却无法应用于大幅度脉动换热问题.我国学者过增元[12]提出的场协同理论，以新的视角解释了对流换热.随后俞接成[13]模拟计算了环形内肋片圆管脉动流不同频率的协同情况，吴艳阳[14]等研究了螺旋槽管内脉动流不同振幅的协同情况.都发现脉动流有效改善了速度场与温度场的协同性.与已有机理不同，场协同理论着眼于流体微观层面，从每个微元的速度和温度特点入手探究流体换热特性.因此在李伟，李思文，张建华的研究[15-17]基础上设计并搭建了脉动流传热实验台，以截面周期性变化的三角槽通道为实验换热段，并借助CFD技术分析其场协同性能。

1实验和模拟方法

1.1实验台的搭建以及实验方法

实验系统如图1,2所示。

图1　实验系统流程Fig.1　Schematic of experimental system

实验段是三角槽道结构，具体结构尺寸借鉴杨志超的实验台[18],在第5，9，15，25，29号槽上各安装2个测壁温热电偶，安装位置如图3所示.用一台隔膜泵来提供脉动流，隔膜泵抽吸水口都连接在混合室上.为了保持水箱恒温，且与室温相同，设置了实验系统和外界的循环水路，恒温冷水不断注入水箱，同时还有一支管路使得水箱的水不断流出，注入和流出的流量相同.采用fluk数据采集仪采集壁面及进出口热电偶的温度.实验采用等热流法进行，4片额定功率为500 W的聚酰亚胺薄膜加热片粘在槽道外表面，通过变频器调节加热电压以改变加热功率，加热片与环境间用珍珠岩绝热处理。

图2　实验系统实物Fig.2　Photo of experimental system

图3　槽道壁温热电偶布置Fig.3　Thermocouple location

通过调节阀门和称量入口流体质量确定实验段入口流速.调节隔膜泵的手轮来确定流体脉动振幅，手轮的刻度即是脉动振幅A.由变频器的频率换算得来的隔膜泵膜片振动频率即是流体的脉动频率f.加热片的热流密度通过变压器的电压和加热片的电阻求的.热电偶测得出入口以及壁面的温度，进而得到温差，由此可以得出每个工况的换热效果。

1.2计算方法

定义Nu数为

式中：d为流道截面的当量直径，m；l，w为实验段截面的长、宽，m；k为流体的导热系数，W/(m·K)；q为壁面热流密度，W/m2；▽T为壁面与流体的平均温差，℃。

雷诺数Re，传热因子E的定义借鉴文献[18].在Re为300和450的工况下先进行恒定流实验，然后恒定脉动振幅A=0.2时，改变脉动频率分别进行实验。

1.3模拟方法

基于实验段的几何特征建立二维计算模型，划分四边形网格，采用Laminar模型，SIMPLE算法，Standard压力，动量和能量方程采用二阶迎风格式，入口边界条件采用速度自定义函数

U=Us+UsAsin(wt)

式中：Us为主流流速；A为脉动振幅；t为时间；w为角频率。

出口为outflow，上下壁面均为wall.设置时间步长为0.01 s.当壁面温度基本不再变化，残差曲线成周期性变化时，认为计算结束。

2结果分析

2.1实验结果

从图4，5给出了Re=300和Re=450各槽道的Nu，可以看出脉动流加强了换热.Re=300,频率为0.5 Hz时换热效果最好.Re=450时,脉动频率为0.65 Hz时达到最好.图6的平均Nu数和图7的强化传热因子也可以清晰地看到这一点，Re=300时的传热效果较稳态时增长50%。

图4　Re=300,A=0.2时，不同频率下各槽道的Nu数Fig.4　Nu number of different groove Re =300, A=0.2

图5　Re=450,A=0.2时，不同频率下各槽道的Nu数Fig.5　Nu number of different groove Re=450,A=0.2

图6　平均Nu系数Fig.6　Average Nu number

图7　不同频率下的EFig.7　E number at different frequency

2.2模拟结果

模拟比实验多计算了两个工况，从图8,9可以看出：模拟出和实验的结果趋势相同，误差在允许范围内.造成模拟结果偏大原因是实验过程中做不到完全的绝热，从加热片发出的热量有一部分散发到环境当中，导致水温偏低，温差增大，Nu数偏小。

图8　Re=300时，实验和模拟Nu对比Fig.8　Comparison of Nu numbers between experiment and simulation Re=300

图9　Re=450时，实验和模拟Nu对比Fig.9　Comparison of Nu numbers between experiment and simulation Re=300

根据场协同理论，协同数为

式中:U为速度;T为温度。

结合速度场分析稳态和Re=300,A=0.2,f=0.5 Hz时的一个周期内各个时间点全场平均协同数，周期平均协同数.图10给出了两种工况瞬时全场平均协同数和周期平均协同数的定量对比，图11，12显示了稳态和脉动流两种工况下的速度场.图12(a~f)分别是一个周期内6个时刻的速度场。

从图10全场平均协同数明显可以看出：f=0.5 Hz时的周期平均协同数较稳态时增长近一倍，说明脉动流明显改善了速度场与温度场的协同效果，强化了传热。

图10　全场平均协同数Fig.10　Average field synergy number

图11　稳态时速度场Fig.11　Velocity field of steady flow

图12　Re=300, A=0.2, f=0.5 Hz时的速度场Fig.12　Velocity field: Re=300 A=0.2 f=0.5

结合涡的运动过程，着眼于脉动情况，可以发现：1/6周期时，涡开始形成，到2/6周期是涡渐渐长大，协同数也逐渐增大，到3/6周期涡继续增大，协同数也继续增大，并达到最大值.从4/6周期开始涡逐步减小，直到消失，协同数也逐渐变小，最后减少到比稳态时还小.因此可知，涡的生长壮大过程能够改善温度场与速度场的协同性，而涡的消失过程减弱了温度场和速度场的协同性.脉动流之所以能加强换热是涡的生长过程在其中发挥了巨大的主导作用。

对比图8，9两种工况，三角槽道内部和主流区的协同数，可以看出：稳态时主流区域内协同数相对均匀，与三角槽道内的协同数相差不大；在涡流与主流区的交界处，协同数较主流区和三角槽道内偏小，协同效果较差.脉动情况下，主流区域内的协同数不再均匀，三角槽道内的协同数比主流区域大；在涡流和主流流体交界处，协同数比主流区域内大.因此，脉动流对流换热协同性的改善作用，主要体现在三角槽道内和涡流与主流的交界处。

3结论

搭建脉动传热实验台，研究了Re为300和450时的脉动流传热.发现在f=0.6 Hz左右传热强化效果最好，Nu数较稳态时提高50%.模拟分析结果显示脉动流明显改善了速度场与温度场得协同效果，使得全场协同数增大了近一倍.协同性能的改善与涡及涡运动有着密不可分的联系，脉动流强化传热的原因在于涡的生长壮大过程极大地改善了温度场与速度场的协同性。

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(责任编辑：陈石平)

中图分类号：TQ021.3

文献标志码：A

文章编号：1006-4303(2015)02-0180-05

作者简介：钟英杰(1962—)，男，福建安溪人，教授，博士生导师，主要从事火焰图像处理，太阳能的利用以及污泥处置，E-mail：zhongyingjie@zjut.edu.cn。

基金项目：浙江省科技厅基金资助项目(2014C31034)

收稿日期：2014-11-11