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自激振荡脉动流体强化换热的试验研究
高 虹,刘娟芳
(重庆大学动力工程学院,重庆 400044)
[摘 要]采用试验研究的方法研究了流体力学不稳定性对强化换热的影响.水流经Helmholtz共振腔时被转变为脉动流体,脉动的水经单管换热器时被加热,测量不同条件下加装共振腔和不加共振腔时的换热系数.研究发现,加装了Helmholtz共振腔时换热系数明显提高10% ~40%.
[关键词]Helmoholtz共振腔;强化换热;脉动流体
[中图分类号]O35 [文献标识码]A [文章编号]1673-8012(2009)01-0011-03
自激振荡脉冲射流是一种已经广泛用于采矿、清理金属表面、金属切割等领域的技术[1],但是,将自激振荡脉冲射流用于强化换热还是一个较新的课题.因此,研究自激振荡脉冲射流强化换热的机理及规律非常重要,具有一定的学术价值和工程应用价值.
1·脉动流体强化换热的机理及共振腔
由于工业换热器中常用的介质是粘性和可压缩性都非常小的水,当水进入换热器后,流体边界层逐渐发展,使得管内中心流体与边界处有较大的温度梯度,严重影响管内外流体热量交换.
当一定参数的流体流过自激振荡腔,流束中不稳定扰动波在穿过腔室剪切层时,由于剪切层是不稳定的,剪切层对扰动波有选择放大作用,形成涡环结构.剪切流动中涡环与下游碰撞壁撞击在碰撞区产生压力扰动波并向上游反射,在上游剪切层分离处诱发新的扰动产生,当新扰动与原扰动频率匹配且具有合适的相位关系时,射流上游就不断地周期性激励,其固有波形受到调制,自激振荡腔内就产生流体自激振动并在下喷嘴出口形成脉冲射流[2, 3].这种具有一定频率的脉动流导致壁面处旋涡的大量产生,从而增加了流体的掺混,破坏换热器的流动边界层的发展,保证壁面处始终处于较好的传热温差状态,从而强化换热[4].
根据相关文献[5],本课题运用流体网络的水电比拟理论的相关知识,采用等效电路对自激振荡腔进行简化,推导出共振腔固有频率的计算公式,然后讨论共振腔发生谐振的条件,最后设计了共振腔,如图1所示.
共振腔主要包括前喷嘴、腔室、后喷嘴、碰撞壁4部分.前喷嘴采用普通的渐缩喷嘴,后喷嘴为直管喷嘴,碰撞壁为截锥面形.
2·脉动流体强化换热实验
为了验证自激振荡腔产生的自激振荡脉冲射流是否可以强化换热,我们搭建了实验台进行实验,如图2.
实验在一长度为2 m的换热器上进行,采用电加热方式.换热器的规格:φ12×1.5;加热功率: 10 kW.在换热器管壁上布置8对热电偶,以测量管壁温度;在稳流段以前及换热器后布置热电偶各1对,分别测量流体进出口温度;保温层外布置2对热电偶测量保温层外表面温度.
实验中,共振腔的尺寸为:d1=5mm,d2=6mm,d=40 mm,共振腔后喷嘴长度为: 12 mm、17 mm、18 mm、23 mm、25 mm.腔室长度为: 10mm、11 mm、12 mm、13 mm、14 mm.通过测量流体进出口温差、流量求得换热量,并得到换热系数h和强化比E:E =h /h0. (1)
其中,E为换热系数强化比;h为有共振腔时的换热系数;h0为没有共振腔时的换热系数.
3·结果及分析
实验在保证流体流速基本稳定的情况下进行,实验中的流速范围是: 5~7. 5 m·s-1;换热器的加热功率为: 3 028W、4 378W、5 288W;共振腔前后的压差为: 0. 425MPa、0. 375MPa、0. 35MPa、0. 31 MPa、0. 29 MPa;流量为: 0. 466kg·s-1、0. 43 kg·s-1、0. 41 kg·s-1、0. 38kg·s-1、0. 36 kg·s-1.实验在不同工况下交叉重复进行,求出不同加热功率和流量条件下的传热系数h及强化比E.
3. 1 强化比E与流量及压差的关系
本实验中通过调节压力表后的阀门来调节共振腔前后的流量及压差.强化比E与流量的关系以及流量与压差的关系如图3所示.
从图中可以看出:
1)在合适的水力参数和结构参数的配合下,自激振荡腔产生的脉动流将明显地强化换热.本实验中的强化比范围是1. 01~1. 74,比较稳定的强化比是1. 1~1. 4.
2)由于压差与流量呈正相关关系,当压差增大时,将产生更为强烈的脉动流,从而明显地提高流体的紊流程度,强化管内流动换热,故较高压差时的强化比大于较低压差的强化比.
3)在流量及压差较小时,使用共振腔时不一定能起到强化换热的作用.因为在较小的流量及压差下,流体的脉动幅度太小,不可能引起强烈的扰动,所以在这种条件下,共振腔不仅不能大幅度提高换热系数,反而还可能弱化换热.
3. 2 强化比E与后喷嘴长度的关系
本实验中通过使用不同长度的芯子来调节后喷嘴长度,调节范围是12mm~25mm.强化比E和后喷嘴长度的关系如图4所示.
从图4中可以看出,随着共振腔后喷嘴长度的增加,强化比E的变化比较明显,对于一定的共振腔,存在最优的后喷嘴长度.如:当流量=0. 466 kg/s,共振腔后喷嘴在18 mm~23 mm时,有利于强化换热.
3. 3 强化比E与腔室长度的关系
为了分析腔室长度对强化换热的影响,保持后喷嘴长度不变,通过加装不同厚度的垫片改变腔室长度,测得强化比,如图5所示.
从图5中可以看出:腔室长度会影响强化比,随着腔室长度的增加,强化比呈现上下波动.当腔室长度为11 mm和13 mm左右时,强化比最小;当腔室长度为12 mm时,强化比最大.
4·换热系数h的误差分析
通过综合考虑以上几个环节的误差,可以得到换热系数h的最大测量误差为±12.3%,最小测量误差为±2.6%.
5·结论
1)对本课题设计的共振腔,只要配合以适当的水力参数,就可以产生自激振荡脉冲射流.对于同一结构的共振腔,水力参数不同,所产生的自激振荡脉冲射流的强弱也不相同,随着共振腔前后的压差和流量的增大,所产生的自激振荡脉冲射流的强度也在增大.
2)将共振腔产生的自激振荡脉冲射流引入换热器后,当自激振荡的强度达到一定程度后,可以强化换热.不同的振荡强度,强化换热的效果也不同.
3)本实验中的强化比范围是1. 01~1. 74,比较稳定的强化比是1. 1~1. 4,也就是说,只要选定合适的水力参数和结构参数,共振腔可以将管内流动换热系数普遍提高10% ~40%.
4)对同一共振腔,不同的出口结构尺寸对换热效果强化的影响不大,但存在最佳尺寸配合.
5)当压差及流量小至一定程度时,使用共振腔可能弱化换热.
[参考文献]
[1]廖振方,唐川林.自激振荡脉冲射流喷嘴的理论分析[J].重庆大学学报, 2002, 25(2): 24-27.
[2]唐川林,廖振方.自激振荡脉冲射流装置的理论分析[J].煤炭学报, 1989, 16(1): 90-100.
[3]蒋海军,廖荣庆.自激振荡脉冲射流机理探讨[J].西南石油学院学报, 1998, 20(3): 55-58.
[4]李淑英,李兴泉,王乃华.管内流动脉动强化换热的影响[J].山东建筑工程学院学报, 1998, 13(4):46-49.
[5]汝大军.自激振荡腔频率特性及腔室设计研究[J].西南石油学院学报, 1999, 21(4): 78-81.
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