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描述二次流强度的无量纲参数及其与二次流强化传热对应关系的研究

时间:2016/6/6 16:47:44

描述二次流强度的无量纲参数及其与二次流强化传热对应关系的研究

(资助项目号No. 51006048

项目负责人宋克伟

项目类青年基金

资助金21

起至年2011.01-2013.12

项目简

二次流是流体流动中的常见现象,虽然比主流速度要小一个数量级,但它却可以大大强化对流传热,以致二次流在强化传热以及其它领域应用中有着重要地位。具有普适性的二次流强度参数的缺乏使得对二次流的认识处于定性分析层面。二次流与涡量在主流方向的分量密切相关,主流方向的涡通量绝对值表征了流体绕以主流方向为轴旋转的角速度,以此为基础,项目提出并定义了二次流强度的无量纲参数SeSe表征了因二次流所引起的惯性力与粘性力的比值,反映了伴随主流流动的二次流的流动情况。项目利用二次流无量纲参数Se定量的研究了多个典型二次流流动场合下的二次流强度、二次流强度与传热强化之间的关系等,证实了Se用于表征二次流强度的普遍适用性。项目研究成果丰富了流体力学基本理论,对进一步深刻认识二次流及有效应用二次流强化对流传热具有重要意义。

项目成

项目主要研究成果概括如下:

(1) 明确了法向绝对值涡通量的真实物理意义

通过某一截面的涡量值的大小可以用涡通量J 来描述,涡通量J 为涡量ω在流场中某一曲面A上的面积分:

描述二次流强度的无量纲参数及其与二次流强化传热对应关系的研究    (1)

J称为过曲面A 的涡通量。但是,当涡量ω的方向与曲面A的法线方向相同时,其点积为正,当涡量ω的方向与曲面A 的法线方向相反时,其点积为负。这样一来,当所取的曲面上存在多个不同方向的涡量时,方向相反的涡量之间就会相互抵消,从而导致过曲面的涡通量不能正确反映曲面上涡旋的强度。对于换热通道,由于通道通常为壁面围绕,无论二次流的强度多大,涡通量的截面平均值都为零,因此涡通量主流方向的分量在横截面上的平均值无法正确描述二次流的强度。

为避免由于流劢边界封闭,涡量沿主流方向的分量在横截面上正负抵消积分值始终为零的问题,将上式中涡量与面积的点积取绝对值,这样不同方向涡量之间不会相互抵消。式(1)反映了曲面所包含的所有涡的涡通量的大小,为反映曲面上涡旋的强度,取单位面积上的平均法向涡通量的绝对值:

描述二次流强度的无量纲参数及其与二次流强化传热对应关系的研究    (2

描述二次流强度的无量纲参数及其与二次流强化传热对应关系的研究称为法向平均绝对值涡通量。法向绝对值涡通量是一有量纲参数,可以用来反映二次流的强度。其物理含义为:表征流体绕以主流方向为轴旋转的角速度。

 (2) 定义了二次流强度的无量纲参数Se,明确了Se 的物理含义

法向绝对值涡通量描述二次流强度的无量纲参数及其与二次流强化传热对应关系的研究,可以用来反映二次流的强度。在扁管换热器翅片结构参数不变时,描述二次流强度的无量纲参数及其与二次流强化传热对应关系的研究Nu之间存在对应关系,如图1(a)所示。但是,由于描述二次流强度的无量纲参数及其与二次流强化传热对应关系的研究是有量纲数,在相同的二次流强度下,描述二次流强度的无量纲参数及其与二次流强化传热对应关系的研究值与二次流强度的关联关系随着结构参数的变化而变化。如图1(b)中,翅片间距变化时,描述二次流强度的无量纲参数及其与二次流强化传热对应关系的研究Nu之间并不存在对应关系。因此,通过描述二次流强度的无量纲参数及其与二次流强化传热对应关系的研究得到的研究结果不具有普遍意义。

描述二次流强度的无量纲参数及其与二次流强化传热对应关系的研究

1. 扁管换热器通道内描述二次流强度的无量纲参数及其与二次流强化传热对应关系的研究Nu之间关系

项目在描述二次流强度的无量纲参数及其与二次流强化传热对应关系的研究的基础上定义了二次流强度无量纲数Se (Journal of Heat Transfer, 135(4): 041902, 2013)

描述二次流强度的无量纲参数及其与二次流强化传热对应关系的研究    (3)

描述二次流强度的无量纲参数及其与二次流强化传热对应关系的研究       (4)

这里Us为二次流特征速度。 Us代表流体绕x轴的速度Se的物理含义为:二次流所引起的惯性力与粘性力的比值,反映二次流的流动情况。

Se 的提出使得二次流的定量研究成为可能,为二次流及其应用研究提供了有力的工具,丰富了流体力学基本理论,对揭示二次流及其强化对流传热的机理有重要科学价值。

(3) 定量研究了二次流强度与对流传热之间的定量关系

本项目利用二次流强度无量纲数Se定量的研究了二次流强度及其与换热Nu、阻力系数f 之间的关系。研究表明:在圆管、扁管换热通道内二次流强度与换热强度之间存在对应关系,二次流强度决定换热强度(I. J. Heat Mass Transfer, 62: 620–631, 2013; Appl. Therm. Eng., 103: 1064-1070, 2016.)。图1扁管换热通道内SeNu之间的关系。

描述二次流强度的无量纲参数及其与二次流强化传热对应关系的研究

图2 扁管换热通道内SeNu对应关系 (Appl. Therm. Eng., 103: 1064-1070, 2016)

(4) 项目在国内外共发表论文17 篇,SCI收录5 篇,EI收录7篇。

项目发表部分论文:

1. KW Song, LB Wang: J. Heat Trans- T ASME 2013; 135(4): 041902.

2. KW Song, WL Hu, S Liu, LB Wang: Appl. Therm. Eng. 2016; 103: 1064-1070.

3. WL Hu, KW Song, Y Guan, LM Chang, S Liu, LB Wang: Int. J. Heat Mass Tran. 2013; 62(1): 620-631.

4. KW Song, Y Wang, Q Zhang, LB Wang, YJ Liu: Int. J. Heat Mass Tran. 2011; 54(11): 2661-2672.

5. KW Song, T Tagawa, LB Wang, H Ozoe: Adv. Mech. Eng. 2014; 873260: 1-11.

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