脉动流动强化传热的研究进展
脉动热管强化传热技术研究进展
脉动热管强化传热技术研究进展张东伟; 蒋二辉; 周俊杰; 沈超; 徐荣吉; 杨绍伦【期刊名称】《《科学技术与工程》》【年(卷),期】2019(019)021【总页数】7页(P1-7)【关键词】脉动热管; 强化换热; 研究方法【作者】张东伟; 蒋二辉; 周俊杰; 沈超; 徐荣吉; 杨绍伦【作者单位】郑州大学化工与能源学院热能系统节能技术与装备教育部工程研究中心郑州450001; 郑州大学土木工程学院郑州450001; 北京建筑大学北京市建筑能源综合高效综合利用工程技术研究中心北京100044【正文语种】中文【中图分类】TK124; TH137换热器作为化工行业的核心设备，提高其换热效率有利于推动系统效能的提升。
在强化换热技术发展过程中，毛细芯式的反重力换热器成为改良重力式和分离式换热器换热高度差这一缺陷的有效途径，但自身的复杂结构和环境适应性差等限制了其走向工业化。
与此同时，脉动热管因其具有结构简单、结构尺寸紧凑、性能稳定、换热高效及普适性强等特性[1]，使其在新能源换热技术、电子设备、微电子热处理、航空航天的深低温技术及核能等领域具有独特的技术优势和广阔的市场前景和经济价值[2—5]。
因此，进一步认识脉动热管的传热机理有助于提升其换热效率。
近年来脉动热管的可视化实验已经对其性能影响因素分析取得了丰硕成果，但强化脉动热管传热机理的研究依然缺乏统一性认识。
本文致力于概括和整理近年来在结构和工质选型方面强化脉动热管传热的研究进展，同时汇总在提高机理认识方面新技术，最后提出目前热管领域存在的问题和技术难点，希望能为脉动热管的优化设计提供有益的借鉴。
1 脉动热管的技术简介脉动热管技术最早由Akachi等提出[6—9]，其结构模型如图1所示，主要包括闭环和开环回路的毛细蛇形结构，分为蒸发段、绝热段和冷凝段。
因其具有结构简单、热响应快、传热高效、性能稳定、价格低廉、无功耗和普适性好的优势和克服传统热管易受黏性、毛细力、飞散以及沸腾制约传热极限等不足的缺点的能力，目前己经在微电子散热、核电站开发、太阳能集热、制冷空调和航空航天等领域展现出良好的应用前景。
强化传热技术
强化传热技术研究进展1概述由于生产和科学技术发展的需要，强化传热技术从上世纪80年代以来获得了广泛的重视和发展。
首先，随着现代工业的迅速发展，以能源为中心的环境、生态等问题日益加剧。
世界各国在寻找新能源的同时，也更加注重了节能新途径的研发。
设计和制造各类高性能换热设备是经济地开发和利用能源的最重要手段，这对于动力、冶金、石油、化工、制冷及食品等工业部门有着极为重要的意义。
其次，随着航空、航天及核聚变等高顶尖技术的发展，各种设备的运行时的温度也不断升高为了保证各设备有足够长的工作寿命及在高温下安全运行，必须可靠经济的解决高温设备的冷却问题。
最后，随着计算机的迅速发展，密集布置的大功率电子元件在电子设备中的释能密度日益增加。
电子元件的有效冷却，是电子设备性能和工作寿命的必要保证。
正是基于以上原因促使人们对强化换热进行了极为广泛的研究和探讨，力图从理论上解释各种强化传热技术的机理，从大量的实验资料中总结其规律性，以便在工业上加以推广应用，并发现新的更为经济实用的强化传热技术，因此近40年来在世界各国强化传热技术如雨后春笋般不断涌现出来。
20世纪80年代以来，我国经济发展迅速而能源生产的发展相对要滞后得多。
面对改革开放带来的经济高速发展态势，能源供应难以满足迅速增长的需求，节能成为关系到能否可持续发展的重大问题，近年来我国也在节能领域取得了显著的成绩。
1980年到2000年中国经济年平均增长9.7% 而能源消耗的年增长仅为4.6% 节能降耗年平均达5%。
“九五”期间我国每万元国内生产总值GDP能耗1990年价由1995年的3.97吨标准煤下降到2000年的2.77 吨标准煤累计节约和少用能源达4.1亿吨标准煤；主要耗能产品单位能耗均有不同程度下降。
按“九五”期间直接节能量计算节约的能源价值约660亿元；节约和少用能源相当于减排二氧化硫820万吨二氧化碳计1.8亿吨。
当前中国在能源利用效率、能耗等方面与世界先进国家相比还存在较大差距，能源节约还有很大的潜力。
脉冲流体诱导振动的热流固耦合强化传热机理研究
分类号：密级：UDC：学号：405812912008南昌大学硕士研究生学位论文脉冲流体诱导振动的热流固耦合强化传热机理研究The Research on the Thermal Fluid-Solid Coupling Heat Transfer Enhancement Mechanism of Pulse flow-induced Vibration黄鹏培养单位（院、系）：资源环境与化工学院指导教师姓名、职称：周国发教授申请学位的学科门类：工学学科专业名称：流体机械及工程论文答辩日期：2015 年月日答辩委员会主席：评阅人：2015 年月日学位论文独创性声明一、学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南昌大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。
学位论文作者签名（手写）：签字日期：年月日二、学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解南昌大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权南昌大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。
同时授权北京万方数据股份有限公司和中国学术期刊（光盘版）电子杂志社将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》和《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》中全文发表，并通过网络向社会公众提供信息服务，同意按“章程”规定享受相关权益。
学位论文作者签名（手写）：导师签名（手写）：签字日期：年月日签字日期：年月日□公开□保密（向校学位办申请获批准为“保密”，年月后公开）摘要摘要随着科技的日益发展，多功能、大功率、小型化、高度集成化成为电子设备的发展方向，使得高密度电子产品的散热问题在工程实践中渐渐凸显出来。
脉动热管计算流体力学模型与研究进展
化工进展Chemical Industry and Engineering Progress2023 年第 42 卷第 8 期脉动热管计算流体力学模型与研究进展卜治丞，焦波，林海花，孙洪源（山东交通学院船舶与港口工程学院，山东 威海 264200）摘要：脉动热管利用工质的潜热和显热实现高效的热传递，过程中伴随气液塞强烈的往复振荡，流动与传热现象极其复杂。
利用计算流体力学模拟可以获得管内气液界面形态、流型转换及振荡压降等重要信息。
本文对公开发表的相关研究进行了综述，介绍各个模型的主要公式、数值模拟的求解方法、优势和现有的局限性，总结现有模拟研究开展的主要工作和结论。
通过分析发现了目前存在的问题：相变模型中蒸发、冷凝系数的确定仍未有明确的理论依据；二维模型中管径的确定方法还未形成共识；将气-液-固三相流动的颗粒流体简化为均质流体。
基于上述问题，本文提出了利用计算流体力学模拟脉动热管后续的研究方向。
关键词：脉动热管；计算流体力学；气液两相流；相变；传热中图分类号：TK172.4；TQ021 文献标志码：A 文章编号：1000-6613（2023）08-4167-15Review on computational fluid dynamics (CFD) simulation and advancesin pulsating heat pipesBU Zhicheng ，JIAO Bo ，LIN Haihua ，SUN Hongyuan(Naval Architecture and Port Engineering College, Shandong Jiaotong University, Weihai 264200, Shandong, China)Abstract: The pulsating heat pipe (PHP) realizes efficient heat transfer through latent and sensible heat of the working fluid. Due to the strong reciprocating oscillation of the gas and liquid plug, the flow and heat transfer mechanisms are extremely complex. Computational fluid dynamics (CFD) simulation on PHPs can provide important information, such as gas-liquid interface shape, flow pattern transition, oscillating pressure drops, etc . Thus, the published CFD simulations on PHPs are reviewed in this paper. The main formulas, numerical simulation methods, advantages and limitations are introduced, and the available simulation research and conclusions are summarized. The analysis reveals some issues to be solved: there is no definite theoretical basis for the choosing of evaporation and condensation coefficients in phase change model; an agreement on the determination of pipe diameter in two-dimensional model has not been reached; the particle fluid of gas-liquid-solid three-phase flow is simplified into the homogeneous fluid. Based on the above problems, further research directions for using CFD to simulate PHPs are proposed.Keywords: pulstating heat pipe; computational fluid dynamics; gas-liquid flow; phase change; heat transfer综述与专论DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1771收稿日期：2022-09-22；修改稿日期：2023-01-15。
脉动热管传热性能优化实验研究进展
脉动热管传热性能优化实验研究进展肖念何; 吴梁玉【期刊名称】《《建筑热能通风空调》》【年(卷),期】2019(038)010【总页数】6页(P41-46)【关键词】脉动热管; 传热性能; 强化传热; 气液相变【作者】肖念何; 吴梁玉【作者单位】东南大学能源与环境学院; 扬州大学电气与能源动力工程学院【正文语种】中文0 引言脉动热管是20世纪90年代由日本的Akachi[1]最早提出的，相比传统热管，脉动热管的优点具体表现为[2-3]：结构简单，体积小。
当量导热系数大，传热性能好。
形状可任意选取，环境适应性好。
脉动热管在电子器件冷却和生物医学快速冷却及低温储存等领域应用前景广阔。
脉动热管的发展及应用取决于脉动热管的传热性能，研究表明，管径，充液率，工质，倾角和弯头数等因素主要影响脉动热管传热性能[4-7]，热阻是评价脉动热管传热性能的重要指标，公式为：式中：Te为蒸发段平均温度；Tc为冷凝段平均温度；Q为加热功率。
本文综述脉动热管传热性能优化的实验研究，分析管路结构改进，使用新型工质和内表面修饰三种优化策略，重点论述脉动热管强化换热机制，最后探究脉动热管传热性能优化的发展趋势。
1 管路结构改进1.1 非均匀通道型均匀通道脉动热管在某些状态下难以运行，如水平方向放置等。
非均通道脉动热管相比均匀通道的脉动热管多了一个毛细驱动力，这个毛细驱动力能够驱使工质的流动，从而提升脉动热管的传热性能。
这是因为液膜在不同截面处的表面张力不同，即产生了一个附加的毛细驱动力。
式中：σ为表面张力系数，N/m；R1、R2分别为不同截面下管径的曲率半径，m。
工质在不同管径的通道中所受到的流动阻力也不同，流动阻力的差别也会促使管内工质向流阻小的方向流动。
因此，合理利用非均匀通道结构，会给脉动热管内气液两相循环流动注入新的驱动力。
Chien等[8]首次提出非均匀通道结构，设计制造了16通道2 mm×2 mm均匀通道平板脉动热管和16通道2 mm×2 mm和2 mm×1 mm交替出现的非均匀通道脉动热管，在水平角度下，均匀通道脉动热管能有效运行，而非均匀脉动热管无法运行。
汽车排气系统脉动强化传热机理研究
汽车排气系统脉动强化传热机理研究近年来，汽车产业的快速发展，给人们的出行带来了更多的便利。
然而，汽车排气系统所排出的排气气体中，含有大量的废气、有害物质和热量。
这些排放物对环境和人的健康造成了严重威胁。
为了减少这些有害物质的排放，研究者们开始着手研究汽车排气系统的脉动强化传热机理。
汽车排气系统中，尾气的温度和流量都会随着车速的变化而不断变化。
这一过程中，脉动流动和传热是同时进行的，因而脉动强化传热机理成为了研究的重点。
研究发现，在固定的平均流量情况下，尾气流动脉动将会使得热传递增强。
这是因为在脉动流动下，尾气在管道中的流动阻力会不断地改变，从而导致管道中热量分配的不均匀。
这一不均匀分配的结果就是在脉动流动状态下，管道内部尾气的温度分布变得更加均匀，进而使得传热效果更加优良。
值得注意的是，在理论研究中，研究者们并不仅仅关注单一的脉动形式。
尤其是我们现实生活中，汽车行驶时产生的脉动形式十分多样，这种多样性也要在研究中进行充分的考虑，以便更加适配实际情况。
进一步的研究表明，脉动流动下的尾气传热效果不仅与摩擦阻力等基础因素有关，还会受到流动形式、流速、流道几何形状等其他因素的影响。
因此，在实际研究中，要逐项对这些因素进行研究，以便充分把握脉动强化传热机理。
对于高速公路等人流量较大的地区，排气系统产热随着汽车流量而不断增加的情况也受到了关注。
在这种情况下，考虑到环保等因素，降低热量排放是十分必要的。
因此，一些研究人员提出了区分流动规律和摩擦阻力等不同因素下的脉动强化传热机理的研究方法，以便优化排气管道的形状和材料。
总之，汽车排气系统脉动强化传热机理的研究工作是一个全局性的、综合性强的工作，它的研究意义和实际意义都非常重大。
在实际工作中，我们应当充分考虑各种实际情况和因素，以有效地减少汽车尾气中有害物质的排放，保障人民的健康和自然环境的持续发展。
随着环保意识的不断提高，汽车尾气排放成为众多环保意识人士关注的热点话题。
液氮温区脉动热管流动及传热特性研究
液氮温区脉动热管流动及传热特性研究马文统;陈曦;唐恺【摘要】脉动热管是一种新型传热元件,具有结构简单、传热性能突出的优点.为了研究低温脉动热管管内工质流动及传热特性,采用液氮为工质,运用多相流VOF方法建立闭式环路结构的低温脉动热管的三维数值模型,并对模型进行了数值模拟.文章对低温脉动热管管内工质的流型变化和传热性能的影响因素进行了研究.结果显示,低温脉动热管从启动阶段到稳定运行阶段管内工质存在多种流型.得出低温脉动热管的倾角、充液率和内径会对低温脉动热管的传热性能产生一定的影响,并分析了倾角、充液率和内径对低温脉动热管传热性能的影响特点.%Pulsating heat pipe (PHP)is a high-efficiency heat transfer device with simple structures and excellent heat-transfer performance. In order to study the pulsating heat pipe which can be used at the liquid nitrogen zone,a three-dimensional numerical model was established and numerically analyzed based on the VOF method in this paper. In this pa-per,the changes in flow patterns of working medium and the influence factors of heat transfer performance of cryogenic PHP were studied. The results indicated that there existed a variety of flow patterns of working medium from the start phase to stable operation phase in cryogenic PHP. The angle,charging rate and inner diameter had certain influences on the heat transfer performance in cryogenic PHP and the characteristics of these factors which influence the heat transfer performance were analyzed.【期刊名称】《真空与低温》【年(卷),期】2017(023)002【总页数】5页(P102-106)【关键词】低温脉动热管;数值模拟;流型;传热性能【作者】马文统;陈曦;唐恺【作者单位】上海理工大学能源与动力工程学院制冷与低温技术研究所,上海200093;上海理工大学能源与动力工程学院制冷与低温技术研究所,上海 200093;上海理工大学能源与动力工程学院制冷与低温技术研究所,上海 200093【正文语种】中文【中图分类】TB657脉动热管（Pulsating Heat Pipes，PHP）或称自激式热管（Oscillating Heat Pipes，OHP）因高效的传热特性和结构简单等特点，引起了国内外众多科研工作者的关注，并在过去几十年里得到了一定的发展。
脉动热管技术研究进展
万方数据第１０期林梓荣等：脉动热管技术研究进展（ａ）闭合回路结构（ｂ）开放同路结构（ｃ）带单向阀的回路结构图１脉动热管基本结构质，弯头一端为加热段，另一端为冷凝段，在中间则根据需要布置绝热段。
其运行机理为：工质在一个蛇形密闭的真空空间里，以低于常压蒸发温度受热蒸发产生气泡，气泡迅速膨胀和升压，形成蒸发端，推动工质流向低温冷凝段，气泡在冷凝段冷凝收缩并破裂，压力下降，工质回流。
另外受热产生的蒸气和冷凝产生的液体在毛细管力和弯曲力的作用下，管内最后将形成气塞和液塞问隔随机分布的振荡状态。
正是这样，由于冷热两端问存在压差以及相邻管问存在压力不平衡，使得工质在加热段和冷凝段之间振荡流动，从而实现热量的传递。
在整个过程中，无需消耗外部机械功和电功，完全是在热驱动下的自我振荡。
脉动热管的结构与运行机理使之与传统热管相比具有如下优点：①体积小、结构简单、成本低。
管径小决定了整体尺寸小；而且不需要吸液芯，减少了热管结构的复杂性和生产成本；振荡动力来自振荡热管本身，无需其它附属设备，运行和维护成本低。
②传热性能好。
除通过相变传热外，脉动热管还通过气液振荡传递显热并将热量转化为振荡需要的功。
③适应性好。
脉动热管的形状可以任意弯曲，可以有多个加热段和冷凝段，而且加热和冷凝的部位可以任意选取，可以在任意倾斜角度和加热方式下工作，这就大大增加了脉动热管的适应性，扩大了应用领域。
这些优点决定了脉动热管在解决小空间高热流密度散热；开发高效换热器和制冷设备；实现在重力场变化条件下的控温技术等方面都极具发展前景。
２实验研究现状２．１脉动热管的可视化实验目前，脉动热管技术的研究主要集中在实验方面，通过可视化实验观察脉动热管启动和稳定运行时管道内的流型、流向等情况是一种常用的研究方法。
Ｌｅｅ［１］采用乙醇作为工质，以铜板开槽、聚丙乙烯密封的办法进行脉动热管可视化实验，槽道尺寸为１．５ｍｍｘｌ．５ｍｌ－ｎ，但并未观察到工质的循环流动，液体回流只是简单的层流流动，而不是典型的气液柱塞流。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第26卷,总第148期2008年3月,第2期《节能技术》E NERGY C ONSERVATI ON TECH NO LOGY V ol 126,Sum 1N o 1148Mar 12008,N o 12脉动流动强化传热的研究进展路慧霞,马晓建,赵 凌(郑州大学化工学院,河南 郑州 450001)摘 要:介绍了脉动流动强化传热的机理、方法,分析了脉动频率、脉动振幅、雷诺数、管径、脉动型式、流体物理性质对传热特性的影响,概括了脉动流动强化传热的国内外研究现状,并提出了进一步研究的建议。
关键词:脉动流动;影响参数;强化传热中图分类号:TK 124 文献标识码:A 文章编号:1002-6339(2008)02-0168-04R esearch Advancements of H eat Transfer E nhancement by Pulsating FlowLU Hui -xia ,MA X iao -jian ,ZH AO Ling(C ollege of Chemical Engineering ,Zhengzhou University ,Zhengzhou 450001,China )Abstract :The mechanism and the study method of heat trans fer enhancement by pulsating flow are intro 2duced 1The effecting factors such as the pulsating frequency ,pulsating am plitude ,Reynolds number ,inner di 2ameter ,pulsating patterns ,and physical properties of the w orking fluid ,are analyzd 1The present status of the experiments and theoretical investigations is summarized 1Recommendations for further research are presented 1K ey w ords :pulsating flow ;affecting factor ;enhancement heat trans fer收稿日期 2008-01-05 修订稿日期 2008-03-07作者简介:路慧霞(1981～),女,硕士研究生。
马晓建(1953～),男,教授,博士生导师。
由于电子工业的飞速发展,对电子集成块中各元件间散热的要求越来越高,脉动流动可以加快电子集成块中各元件的散热,从而延长电子元件的使用寿命。
脉动传热现象的研究是伴随着脉动燃烧研究的出现、发展和不断完善而孕育发展起来的。
由于脉动流动的复杂性,其传热特性受到多因素的影响,涉及多学科理论知识。
脉动流动可以作为一种扰流技术应用于强化传热,国内外对于这方面也已进行了相关的研究,并指出流体的掺混是强化传热主要因素之一,因脉动流动能显著增强通道内流体的相互扰动与混合,破坏热边界层,进而改变热阻,达到强化传热目的〔1,2〕。
脉动流动强化传热以其独特的优越性一直受到国内外的广泛关注,并且在工业生产及日常生活中具有广泛的应用前景。
1 脉动传热的机理流体脉动强化传热主要是由于流体的脉动导致了壁面处旋涡的大量生成,使紧贴壁面的粘性底层减薄,增加主流流体的湍流度,并增加了流体的掺混,破坏了边界层,增大换热面的效果,达到强化传热的目的〔2〕。
整个强化换热过程分为旋涡的生成、分解和扩散三个紧密相连的环节〔3〕。
这一过程中,生成环节是占主导地位的,旋涡的生成密度越大,换热效果越好,而旋涡的生成是沿壁面径向速度梯度增大的结果,因此造成大的径向速度梯度就能达到增加强化传热效果。
2 流体脉动强化传热的方法流体脉动流动主要有流道几何形状和流体的速度或流动方向呈周期性变化两种类型。
利用流体脉动强化传热也主要从这两方面入手,目前主要有传・861・热面振动和流体自身脉动两种方法。
211 传热面振动俞接成〔4〕对空气低速绕流振动圆柱的对流换热进行了研究,圆柱以正弦函数形式垂直于来流方向振动,得到圆柱振动可使换热显著强化,在所研究的范围内,最大可使传热强化9倍,并得出振动是否强化传热还存在临界振动参数。
虽然传热面振动能强化传热,但控制传热面振动来强化传热比较困难,并具有破坏性振动,有可能使传热设备产生共振而损坏设备,因此很少应用传热面振动来强化传热。
212 流体自身脉动由于传热面的振动容易损坏换热设备,所以可利用流体自身脉动以提高传热系数。
流体自身脉动流动按照激振方式可以分为强制脉动流动和自激脉动流动。
强制脉动是利用外部设备将一定的脉动强度(振幅和频率)强加于系统之上,迫使其脉动的脉动形式。
自激脉动是系统本身在一定条件下自行产生脉动的脉动形式。
W1L1C ooper〔5〕等用往复活塞推动空气做了脉动对流换热的研究结果表明,脉动流动时边界层或速度发生周期性波动,但都比Blasius边界层薄,因此脉动有利于传热。
曾尚春、李友荣〔6〕等将共振腔产生的自激脉动流引入换热器的结果指出,当自激脉动达到一定的强度时能够破坏层流底层,从而可以强化换热;不同的脉动强度,强化换热的效果也不同,存在一个理想的流速范围,此时脉动较强,强化传热效果较好;在一定的工况下,最佳强化效果能将传热系数提高30%左右。
3 流体脉动传热特性影响参数目前对脉动流动强化传热的研究主要集中在对流型的可视化研究及单个的参数影响研究。
影响流体脉动传热特性的参数大致分为以下三类:①操作参数,包括脉动频率、脉动振幅脉动型式等;②几何参数,包括管径、流动通道的几何结构及通道表面情况等;③物理参数,包括雷诺数、流体平均流速、脉动源位置及脉动前的流动状态等。
311 脉动频率的影响脉动频率是影响传热的重要因素。
对管内流体而言,脉动流动使管内流速不断变化,此时流体脉动频率将直接影响流速及近壁面处径向速度梯度的变化,从而影响漩涡的生成及存在状态。
频率过高或过低都不能产生最大的旋涡生成量,因而达不到最佳传热效果;在低频时,提高频率能够增强速度梯度,因而有利于传热;但脉动频率过高则使流速得不到足够的衰减而减弱脉动强度,反而不利于传热;因此有最佳频率值存在,使在此频率下,一个脉动周期内可以得到最大旋涡生成量,从而获得最大的传热效果〔3〕。
H erbert Martin H ofmann、Daniela Luminita M ovileanu〔7〕等研究了脉动对流动结构和传热的影响,结果表明在平均流动中周期性波动能够影响对流传热;湍流量级内对于小喷嘴板间距时大的脉动频率可以提高传热,而小的脉动频率对传热影响不大。
李淑英和李兴泉〔8〕通过对装有脉动源的管式换热系统的管内流体脉动流动的研究表明,管内流体脉动可以强化传热,但在不同的流速下,脉动对传热的效果的影响不同;在流速一定时,E～f曲线存在一个峰值,即最佳频率值,且随流量不同最佳频率值不同,随速度增加最佳频率值增大。
312 脉动振幅的影响采用准稳态理论研究的脉动振幅对强化传热的影响,由图1(R表示脉动平均对流传热系数与稳态对流传热系数之比,A为无因次脉动流速的振幅)可以看出只有脉动振幅达到一定的幅度以后,脉动才能使对流传热增强〔9〕。
图1 R随A变化的示意图B1Olayiw ola和P1Walzel〔10〕实验研究了带有矩形翅片通道内的脉动流动对横向流和强化传热的影响,结果发现脉动流动对提高传热系数的影响随脉动振幅的增加而变得更重要,并发现传热提高与横流速度相配。
Anotai Sulsangpanomrung〔11〕等通过对入口具有脉动流动的二维矩形板上的流动和对流传热进行了数值研究,结果表明在低雷诺数下脉动流动频率和振幅的变化引起漩涡脱落的形成强制流动变得不稳定,分离泡沫降低而传热率提高;中等雷诺数下漩涡脱落特性受脉动振幅控制,产生整体传热率最大值下的最佳脉动振幅发现在A=011且f=013。
313 雷诺数的影响由于脉动能促进流体掺混,雷诺数较低即层流或过渡区的传热强化作用更明显;当流速过高时,流・961・体已经处于旺盛湍流状态,内部已经存在着大量脉动漩涡,而且流体具有较大的流动惯性,对外加脉动的响应比较迟缓,脉动振幅也不会太大,因而不会有太明显的强化传热效果。
Tsai -Shou Chang 和Y ann -Huei Shiau 〔12〕对竖直平行通道内挡板对脉动混合对流传热特性影响的研究结果表明,当雷诺数Re 增加时通道内的速度振荡逐渐由强加的脉动流动支配,并随雷诺数Re 的增大传热得到强化。
314 管径的影响流体脉动强化传热过程包括旋涡的生成、分解和扩散三个环节,而管径的影响主要表现在旋涡的扩散上〔3〕。
因为管径大小影响管横截面的速度分布,从而影响近壁面处的径向速度梯度及其变化率,所以管径的大小意味着旋涡扩散路径的长短,则较小管径更有利于旋涡的扩散,因而对强化传热是有利的。
另外需要注意的是管径的缩小,则同样的流速脉动能在近壁面处产生较大的速度及速度梯度的脉动,从而能导致旋涡的大量生成有利于传热。
315 脉动型式的影响脉动型式主要是指脉动产生的流速变化形式,它主要与产生脉动的方式有关。
一般认为在诸如往复泵和断续阀的脉动系统中流速的变化是余弦型的,但这不是唯一也不一定是最佳的流速脉动型式〔13〕。
一个流体脉动周期有流速的增大和衰减两个过程,旋涡是在流速增大过程中形成的,所以好的脉动型式应具有较短的增大半周期和较长的衰减半周期(如图2所示),较长的衰减半周期能让流速衰减到足够低以在增大半周期内造成较大的速度振幅,且为旋涡的分解和扩散提供了足够的时间,较短的流速增长半周期更有利于旋涡的大量生成。
因此类似于锯齿型的具有流速下降较缓和流速增大较陡曲线的脉动型式,对于强化传热应该是更有利的。
图2 最佳脉动型式谢公南〔14〕等数值研究了波纹通道内脉动流动与换热情况的结果表明,流动阻力特性呈周期性余弦规律变化,传热Nu 数呈正弦规律变化;频率、振幅的增大,使得阻力脉动幅度增大;受入口脉动流的影响,通道内的旋涡发生周期性的脱落、增长和迁移,从而增强了流体之间的扰动和掺混,强化了传热;传热的强化效果随着振幅的增大而增强,但在特定人口脉动流下,相同振幅不同频率下的强化效果几乎一致。
316 流体物理性质的影响影响传热的流体物理性质主要是流体粘性,当流体粘性较大时有利于漩涡的生成,对传热的影响是有利的,但粘性过大则会阻碍流速的脉动变化,反而不利于传热。
由于粘性对脉动传热影响的复杂性,对其还需进一步的研究。