管内对流换热的场协同分析及换热强化

PPT模板下载：行业PPT模板：节日PPT模板：素材下载：背景图片：图表下载：优秀PPT下载：教程：教程：教程：资料下载：课件下载：范文下载：试卷下载：教案下载：管内对流换热的场协同分析及换热强化2Copyright©2012AndyGuo.Allrightsreserved。过增元教授对边界层型的流动进行能量方程在热边界层内积分，证明了减小速度矢量与温度梯度之间的夹角是强化对流换热的有效措施，以后这一理论被称之为“场协同”原理。该理论认为在流速和流体的物理性质给定的条件下，对流换热的换热界面上的换热强度不仅取决于速度场和温度梯度场本身，而且还取决于它们之间的夹角，即不仅取决于速度场、温度梯度场、夹角场的绝对值，还取决于这三个标量值的相互搭配。场协同理论3Copyright©2012AndyGuo.Allrightsreserved。导出管内湍流换热N、与局域时均参数的关系式,将对流换热的场协同理论扩展至湍流换热。分析了管内对流换热的特点,并根据场协同理论提出强化湍流换热的方法,发展了一种新型强化换热管一交叉椭圆管,既适合于层流换热强化也适合于湍流换热强化,其强化传热效果显著而流阻较小。4Copyright©2012AndyGuo.Allrightsreserved。湍流条件下对流换热的场协同分析:对于稳态无内热源的湍流对流换热,不计粘性耗散的影响,其能量方程可写为:在壁面处其湍流热扩散率为0,根据高斯公式可得该管壁面S导入或导出的总热量:5Copyright©2012AndyGuo.Allrightsreserved。引入特征尺度D和无因次变量:则平均Nusselt数可表示为:体积分区域在流动方向为等截面,可对垂直于主流方向某截面A进行面积分.6Copyright©2012AndyGuo.Allrightsreserved。引入下列特征尺度D和无因次变量:则可得其截面平均Nusselt数:数值验算结果表明,用壁面热流计算的Nusselt数与用速度和温度梯度点积的面积分或体积分计算的Nusselt数基本一致。7Copyright©2012AndyGuo.Allrightsreserved。从式(4)和(6)中可以看出,对流换热量与时均流速、时均温度梯度、Re和Pr有关。不仅如此其速度矢量与温度梯度(或者说速度矢量与热流矢量)的夹角对对流换热起着重要的作用。实际上,上述各种因素并不是独立的,对流换热是诸因素共同作用的结果.欲使换热强化,需要各参数间的协同。式(4)和(6)还表明,和层流换热一样,场协同理论同样适合于湍流换热的强化,其换热强化均可由速度场和温度场协同程度的改善而获得。8Copyright©2012AndyGuo.Allrightsreserved。因此,除采用常规的壁面突起扰流强化和扩展表面强化外,可通过改善速度场和温度场的协同程度来实现湍流换热的强化,这为开发新型湍流换热强化技术提供了新的途径。9Copyright©2012AndyGuo.Allrightsreserved。管内对流换热的特点及强化根据Nusselt数与局域时均流场和温度场的关系式(4)和(6),湍流换热强化的方法之一是在温度降较大的方向产生流动。研究对流换热的强化,首先要分析同类物理问题的温度场和速度场的特点及其协同程度。以充分发展等壁温圆形截面管内对流换热为例,分析其温度场的特点(见图1,介质为20℃的水,)。10Copyright©2012AndyGuo.Allrightsreserved。从图1中可以看出,无论是层流还是湍流,管内对流换热的温度降主要发生在径向,其径向温度梯度远大于其轴向温度梯度,一般径向温度梯度比轴向温度梯度大2、3个数量级甚至更多。但对湍流换热来说,温度降主要发生在管壁面附近。11Copyright©2012AndyGuo.Allrightsreserved。对于管内层流换热,温度降在整个管内沿径向发生,因此只要在管内径向产生较小的速度(主流速度的1%甚至1‰),即可对换热产生显著的影响,由旋转或缩放等途径产生的二次流即可明显强化管内层流换热。对于管内湍流换热,其温度降主要发生在壁面附近的径向,穿越等温线的二次流特别是温度梯度较大的壁面二次流,同样能起到强化换热的作用。12Copyright©2012AndyGuo.Allrightsreserved。因而强化换热的方法除采用常规的壁面扰流强化和扩展表面强化方法外,场强化也同样适合于湍流换热,所不同的只是二次流对湍流换热的影响主要集中在壁面附近。管内轴截面的二次流主要有旋转流、径向流、涡流等形式。旋转二次流(垂直于主流方向的流动以旋转流动为主)的实现形式有扭曲带阁、螺旋槽管和椭圆扭曲管川等。13Copyright©2012AndyGuo.Allrightsreserved。径向二次流(垂直于主流方向的流动以径向流动为主)的实现形式有波纹/波节管、缩放管和横槽管等。涡旋二次流(垂直于主流方向的流动以涡流流动为主)的实现形式有局部压扁管和交叉椭圆管等。需要特别指出的是,涡流流动方式可使流体在温度梯度较大的径向产生强烈的混合,促使主流区的流体温度均匀化和壁面处的温度梯度增大,从而可实现较大程度的传热强化。14Copyright©2012AndyGuo.Allrightsreserved。应用：交叉椭圆换热管根据上述对流换热场协同理论和管内换热强化方法分析,作者研发了一种新型强化传热元件一一交叉椭圆管。15Copyright©2012AndyGuo.Allrightsreserved。图2为交叉椭圆管结构示意图。它通过挤一扩形过渡段形成强烈的二次流并在椭圆直段发展为4涡或8涡流型。交叉椭圆管管内层流换热时,截面二次流是换热强化的主要因素。交叉椭圆管管内湍流和过渡区换热时,壁面二次流对换热强化起主要作用。交叉椭圆管轴向截面积变化较小,因而在强化换热的同时,其流阻较圆形截面管增加较少。16Copyright©2012AndyGuo.Allrightsreserved。图3给出了数值计算的的层流和湍流对流换热条件下交叉椭圆管截面流场和温度场(介质为20℃的水,)。17Copyright©2012AndyGuo.Allrightsreserved。数值计算分析表明其管截面内的最大流速分量约为轴向平均流速的40%(过渡段处),二次流的平均流速为主流平均流速的2~4%。管截面温度场在二次流的作用下发生了明显的改变,壁面处平均温度梯度显著增大。实验和数值计算均表明,以水为换热媒介,交叉椭圆管湍流换热时Nu可提高30%~50%,而沿程阻力只增加50%~80%。18Copyright©2012AndyGuo.Allrightsreserved。当交叉椭圆管用于层流换热时,其Nu与二次流型(8涡或4涡)和Pr数密切相关,一般Nu可提高30%~200%,沿程阻力增加30%、80%。由于管截面的二次涡流的作用,交叉椭圆管不仅可实现层流换热强化,而且还可强化湍流换热,而流阻增加较少。利用场强化的方法,避免了壁面扰流强化和扩展表面强化所带来的阻力增加过大的不足。Thanks