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)

0 前 言

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.

1 計(jì)算模型及邊界條件

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)

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 出口中心處溫度分布圖

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

2.2 流函數(shù)分布圖

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

2.3 時(shí)均徑向溫度分布

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

2.4 強(qiáng)化換熱系數(shù)分析

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

3 結(jié) 語(yǔ)

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.

參考文獻(xiàn)：

[1]Richardson E G,Tyler E.The transverse velocity gradient near the mounths of pips in which an atlernating or continuous flow is established [J]. Proceedings of the Physical Society,1929,42:1-15.

[2]Uchida S.The pulsating visous flow superposed on the steady laminar motion of incompressible fluid in a circular pipe [J].ZAMP,1956,7:403-422.

[3]Mamayev V V,NOSOV V S, Syromyatnikov N I.Investigation of heat transfer in pulsed flow of air in pips[J].Heat Transfer-soviet Research,1976,8(3):111-116.

[4]俞接成.脈沖流動(dòng)和壁面振動(dòng)傳熱研究[D]:清華大學(xué),2007.

[5]徐建民，王曉清.波節(jié)管管內(nèi)流動(dòng)和傳熱的數(shù)值模擬[J].石油化工設(shè)備，2008，37(1)：4-7.

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[7]王仕仙，徐建生，盧霞.基于ANSYS的滑動(dòng)摩擦熱結(jié)構(gòu)耦合分析[J]：武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31(5)：67-70.