汪 威,喻九陽(yáng),楊 俠
(武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,湖北 武漢 430074)
脈沖流是指按照一定規(guī)律如正(余)弦周期變化流動(dòng)的流體.對(duì)于脈沖流速度場(chǎng)分布規(guī)律,大量學(xué)者都進(jìn)行了研究,并得到公認(rèn)的結(jié)論.20世紀(jì)中前期,Richardson通過(guò)對(duì)管內(nèi)往復(fù)流動(dòng)脈沖流的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)速度分布存在速度環(huán)效應(yīng),即最大速度在靠近管壁處而不是在管中心[1];Uchida對(duì)此結(jié)論進(jìn)行理論分析,證明速度環(huán)效應(yīng)[2].
但脈沖流是否能強(qiáng)化換熱,各專家學(xué)者的研究結(jié)論都不一致.1990年,Mackly實(shí)驗(yàn)證實(shí)脈沖流對(duì)帶內(nèi)肋片圓管強(qiáng)化效果顯著,但對(duì)普通圓管直通道沒(méi)有強(qiáng)化換熱的效果[3],俞接成對(duì)這兩種情況進(jìn)行數(shù)值模擬分析,得到一致的結(jié)論[4].
同時(shí),波節(jié)管作為一種新型高效換熱元件,換熱效果是傳統(tǒng)直管的1.8~2.5倍[5],并在工業(yè)中廣泛應(yīng)用,如若脈沖流在波節(jié)管中作用具有強(qiáng)化效果,則換熱效率較傳統(tǒng)的工業(yè)換熱器將會(huì)有顯著的提高[6-7].為此,通過(guò)流體數(shù)值計(jì)算軟件fluent對(duì)波節(jié)管脈沖流的對(duì)流換熱進(jìn)行模擬分析,探討脈沖流是否提高波節(jié)管換熱效率,并分析其機(jī)理.
在數(shù)值計(jì)算中,采用了二維軸對(duì)稱方法建立模型,取波節(jié)管長(zhǎng)度為L(zhǎng)=1 820 mm,基管直徑(波節(jié)管脹擴(kuò)前的圓管直徑)D2=19 mm,波峰處直徑D1=25 mm,波長(zhǎng)S=20 mm,其中圓弧管段S1=13 mm,直管段S2=7 mm,如圖1所示.此外,按照實(shí)際模型的結(jié)構(gòu),在建立波節(jié)管幾何模型時(shí),在管的進(jìn)出口端各增加了兩個(gè)直管段,直徑為25 mm,長(zhǎng)度為40 mm;在管長(zhǎng)方向,除了進(jìn)出口直管段外,還包含了87個(gè)波距的長(zhǎng)度.為了便于計(jì)算和建模,管壁厚度為零,溫度恒定為293 K.流體工作介質(zhì)為水,入口溫度為353 K.
圖1 波節(jié)管示意圖
數(shù)值模擬采用結(jié)構(gòu)四邊形網(wǎng)格對(duì)所建立的幾何模型計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散,考慮邊界層對(duì)傳熱和流動(dòng)的影響,將壁面附近網(wǎng)格加密,整個(gè)模型共劃分14.6萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格單元.計(jì)算時(shí)選用離散格式,壓力與速度的耦合計(jì)算采用SIMPLEC方法,壓力采用STANDARD,忽略重力的作用,對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式.流體入口定義為速度輸入,并通過(guò)UDF輸入正弦脈沖流如式(1),出口定義為壓力出口,壓力為零.
vz=vf[1+Asin(2πnt)]
(1)
圖2表示當(dāng)v=0.2 m/s時(shí),n=10,50 rad/s時(shí)波節(jié)管流體出口截面平均壓力分布.從2圖中可以得到,在相同的速度波動(dòng)條件下,n越大,壓力波動(dòng)也越大.
圖2 出口中心處壓力波動(dòng)圖
圖3 、圖4分別是v=0.2 m/s,n=20 r/s第44個(gè)波節(jié)段的穩(wěn)態(tài)和脈沖流條件下的流函數(shù)分布圖和速度矢量圖.圖3中a~h分別表示一個(gè)周期下不同相位時(shí)的流函數(shù)圖g為穩(wěn)態(tài)情況下流函數(shù)圖;圖4中a~f表示脈沖流條件下一個(gè)周期內(nèi)不同相位時(shí)流體的速度矢量圖,i為穩(wěn)態(tài)情況下速度矢量圖.通過(guò)圖形可以表明:穩(wěn)態(tài)流動(dòng)條件下,此波段內(nèi)流體流態(tài)是固定且無(wú)漩渦;而脈沖流情況下,在一個(gè)周期內(nèi),流體流態(tài)不斷變化,基本過(guò)程如下:首先流體同向流動(dòng),速度場(chǎng)無(wú)渦旋,當(dāng)脈沖相位超過(guò)180°,即達(dá)到負(fù)周期時(shí),脈沖流流體在波節(jié)靠近流體入口(背速)處產(chǎn)生漩渦,并隨著速度的減小逐漸長(zhǎng)大,當(dāng)速度增加時(shí),漩渦又逐漸變小,直至消失.
圖3 流函數(shù)分布
圖4 速度矢量圖
圖5是v=0.1 m/s,n=20 r/s,x=910處即第44個(gè)波節(jié)段的穩(wěn)態(tài)和脈沖流條件下的溫度分布圖.從圖5中可以看出,由于脈沖流作用,時(shí)均徑向溫度分布在壁面附近比穩(wěn)態(tài)時(shí)的斜率大,降低溫度邊界層的厚度,從而強(qiáng)化傳熱.結(jié)合圖3和圖4可得到波節(jié)管脈沖流強(qiáng)化傳熱的基本機(jī)理是:由于脈沖流改變了流體的速度分布,產(chǎn)生渦旋,流場(chǎng)紊流增大,從而影響流體徑向溫度分布.
圖5 徑向溫度分布圖
圖6給出了波節(jié)管在不同速度,不同頻率脈沖流作用調(diào)節(jié)下,波節(jié)管換熱強(qiáng)化系數(shù)變化.從圖中可以看出:脈沖流能顯著提高波節(jié)管的換熱效率,在相同的脈沖頻率下,換熱強(qiáng)化系數(shù)隨著速度的增加而增加,例如n=20 r/s,速度v=1.0時(shí)的R值比速度v=0.1時(shí)提高了60.9%;在相同速度條件下,換熱強(qiáng)化系數(shù)先隨著頻率的增大而增大,當(dāng)頻率超過(guò)一定范圍后,R隨著頻率的增大而減小,以v=1.0為例,n=30 r/s強(qiáng)化傳熱系數(shù)R分別比n=10 r/s,50 r/s的提高了20.5%和8.6%.
圖6 強(qiáng)化系數(shù)分布圖
a.通過(guò)fluent數(shù)值計(jì)算,得到與穩(wěn)定流動(dòng)相比脈沖流能顯著提高波節(jié)管換熱效率.
b.脈沖流使得流體在波節(jié)管波節(jié)處湍流增強(qiáng)并產(chǎn)生漩渦,大大增加流體的擾動(dòng),減小邊界層厚度,強(qiáng)化波節(jié)管換熱效果.
c.在強(qiáng)化換熱過(guò)程中,當(dāng)脈沖相位在0~180°變化時(shí)流場(chǎng)穩(wěn)定變化,不產(chǎn)生漩渦;當(dāng)脈沖相位大于180°,流體速度小于平衡值時(shí),波節(jié)處流體流場(chǎng)劇烈變化,產(chǎn)生漩渦,并在隨著速度的減小,漩渦不斷長(zhǎng)大,當(dāng)速度增大時(shí),漩渦逐漸變小,直至消失.
d.換熱強(qiáng)化系數(shù)在一定速度范圍內(nèi),隨速度的增加而增大;在一定頻率范圍內(nèi),R先隨著頻率的增大而增大,然后,隨著頻率的增大而減小.
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