單側(cè)加熱方形通道內(nèi)超臨界水傳熱研究

1、PAGE PAGE - 7 -單側(cè)加熱方形通道內(nèi)超臨界水傳熱研究PEC=Nu/Nu0(f/f0)1/3PEC=Nu/Nu0(f/f0)1/3(8)圖9、圖10分別表示了豎直向上流動(dòng)不同強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)Nu/Nu0與PEC隨質(zhì)量流速的變化?？梢钥闯龇菍?duì)稱(chēng)倒角下游凹槽綜合換熱性能最優(yōu)，非對(duì)稱(chēng)倒角下游凹槽在質(zhì)量流速G=5001000kgm-2s-1時(shí)，PEC有微小的下降，但維持在一個(gè)較高的水平，且Nu/Nu0比值維持較高水平，說(shuō)明在該流量區(qū)間，隨著流量增加非對(duì)稱(chēng)倒角下游凹槽對(duì)流體的擾動(dòng)增加，相較于光滑管，強(qiáng)化傳熱效果能維持較高水平。對(duì)稱(chēng)凹槽與倒角凹槽結(jié)構(gòu)也具有一定的綜合強(qiáng)化換熱性能，并排雙通道僅僅在質(zhì)量

2、流速G=500kgm-2s-1時(shí)有一定的強(qiáng)化效果，其他情況下PEC1，綜合換熱性能較差。除了上下通道，其他通道在G=500kgm-2s-1時(shí)PEC能達(dá)到最大數(shù)值，是因?yàn)樵谠摿髁肯?，?qiáng)化結(jié)構(gòu)對(duì)流體的擾動(dòng)影響最大，Nu/Nu0達(dá)到最大值，此時(shí)強(qiáng)化傳熱效果最佳。上下雙通道的Nu/Nu0較小，強(qiáng)化換熱效果有限，其PEC在所有質(zhì)量流速下均小于1，綜合換熱性能不如光管。圖9圖9不同強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)的Nu/Nu0Fig.9Nu/Nu0ofdifferentenhancedstructures圖10圖10不同強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)的PECFig.10PECofdifferentenhancedstructures綜上所述，

3、在q=1000kWm-2、G=2001500kgm-2s-1的工況下，雙通道結(jié)構(gòu)換熱效果有限，不適用于超臨界水的強(qiáng)化換熱；凹槽結(jié)構(gòu)均具有一定的強(qiáng)化換熱效果，其中非對(duì)稱(chēng)倒角下游凹槽結(jié)構(gòu)強(qiáng)化換熱效果最佳。2.4強(qiáng)化換熱機(jī)理分析本節(jié)對(duì)凹槽結(jié)構(gòu)強(qiáng)化換熱的機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)分析。圖11為G=500kgm-2s-1時(shí)四種凹槽結(jié)構(gòu)附近切面的流線(xiàn)圖，可以看到凹槽區(qū)域產(chǎn)生明顯的旋渦，導(dǎo)致該區(qū)域的流動(dòng)分離，從而破壞邊界層的發(fā)展，增加流體的擾動(dòng)。流體在凹槽下游位置與加熱壁面再接觸，使得該處邊界層變薄，從而強(qiáng)化換熱。由于旋渦區(qū)域僅出現(xiàn)在凹槽結(jié)構(gòu)內(nèi)部，對(duì)主流流動(dòng)影響較小，因此不會(huì)帶來(lái)較大的壓降。值得注意的是，凹槽內(nèi)部的旋渦雖

4、然增強(qiáng)了流體的擾動(dòng)，但由于其速度較小，因此換熱能力較弱，導(dǎo)致凹槽內(nèi)部區(qū)域換熱效果較差，強(qiáng)化的部位只發(fā)生在凹槽下游的再附著點(diǎn)附近。因此，在保證流動(dòng)分離的前提下，應(yīng)盡可能減小旋渦強(qiáng)度以降低阻力。對(duì)稱(chēng)凹槽結(jié)構(gòu)由于壁面結(jié)構(gòu)的突變，產(chǎn)生了較強(qiáng)的流動(dòng)分離，導(dǎo)致在凹槽區(qū)域出現(xiàn)了一大一小兩個(gè)旋渦，如圖11（a）所示。較大的旋渦可以使主流產(chǎn)生流動(dòng)分離從而強(qiáng)化換熱，但較小的旋渦對(duì)換熱并沒(méi)有積極作用，反而由于增強(qiáng)了流體的擾動(dòng)而增大該處的流動(dòng)阻力。與對(duì)稱(chēng)凹槽相比，倒角凹槽壁面附近流線(xiàn)更為順滑，消除了凹槽區(qū)域較小的旋渦，使得流阻降低。同時(shí)，在凹槽下游部位，再附著區(qū)域由尖角變?yōu)槠交^(guò)渡的圓角，相當(dāng)于增加了強(qiáng)化區(qū)域，因此倒

5、角凹槽比對(duì)稱(chēng)凹槽具有更高的傳熱性能。非對(duì)稱(chēng)倒角上游凹槽結(jié)構(gòu)上游陡峭而下游平緩，產(chǎn)生了一大一小兩個(gè)旋渦，由于有利于強(qiáng)化傳熱的旋渦產(chǎn)生于下游，而下游的區(qū)域較為狹窄，所以非對(duì)稱(chēng)倒角上游強(qiáng)化傳熱效果一般。非對(duì)稱(chēng)倒角下游凹槽結(jié)構(gòu)壁面下游陡峭而上游平緩，增強(qiáng)了流體的擾動(dòng)，產(chǎn)生了一大三小的四個(gè)旋渦，大的旋渦對(duì)倒角凹槽結(jié)構(gòu)影響范圍更大，強(qiáng)化換熱效果更為明顯，小的旋渦則增加了流動(dòng)阻力，綜合來(lái)看大的旋渦影響范圍更廣，因此非對(duì)稱(chēng)倒角凹槽結(jié)構(gòu)強(qiáng)化換熱效果更好，推薦使用非對(duì)稱(chēng)倒角凹槽結(jié)構(gòu)以改善傳熱惡化。圖11圖11凹槽附近剖面流線(xiàn)圖Fig.11Streamlinesaroundvariousgrooves為進(jìn)一步揭示傳

6、熱強(qiáng)化機(jī)理，引入Guo等32提出的場(chǎng)協(xié)同原理。一方面是溫度梯度場(chǎng)與流場(chǎng)的協(xié)同關(guān)系，即溫度梯度與速度的協(xié)同角，協(xié)同角越小，對(duì)流傳熱能力越好；另一方面是速度矢量與速度梯度矢量的協(xié)同關(guān)系，即速度與速度梯度的協(xié)同角，協(xié)同角越大，流動(dòng)阻力越小。圖12、圖13均為沿著流動(dòng)的中心面剖面圖，分別表示G=500kgm-2s-1時(shí)對(duì)稱(chēng)凹槽、倒角凹槽和非對(duì)稱(chēng)倒角凹槽在Z=0.25m附近的協(xié)同角與的分布。可以看出，協(xié)同角值較小的范圍：非對(duì)稱(chēng)倒角下游凹槽倒角凹槽對(duì)稱(chēng)凹槽非對(duì)稱(chēng)倒角上游凹槽，說(shuō)明非對(duì)稱(chēng)倒角下游凹槽結(jié)構(gòu)的傳熱能力最強(qiáng)。此外，對(duì)稱(chēng)凹槽結(jié)構(gòu)中，值較小的區(qū)域主要集中在凹槽內(nèi)部，但由于該區(qū)域流速較小，換熱能力較差，

7、因此對(duì)主流換熱能力的強(qiáng)化效果有限。而倒角凹槽與非對(duì)稱(chēng)凹槽結(jié)構(gòu)中值較小的區(qū)域主要集中在凹槽與主流區(qū)域交界處，該處的換熱強(qiáng)化有利于凹槽區(qū)域和主流之間的熱量交換，且非對(duì)稱(chēng)凹槽值較小的區(qū)域向主流區(qū)沿伸幅度大于倒角凹槽，因此，非對(duì)稱(chēng)倒角凹槽結(jié)構(gòu)更有利于傳熱的強(qiáng)化。圖12圖12凹槽附近的協(xié)同角云圖Fig.12Distributionofsynergyanglearoundvariousgrooves圖13圖13凹槽附近的協(xié)同角云圖Fig.13Distributionofsynergyanglearoundvariousgrooves由圖13（a）可以看出，對(duì)稱(chēng)凹槽上游和下游部位存在較大的低區(qū)域，這是由于對(duì)

8、稱(chēng)凹槽結(jié)構(gòu)尖角的存在，流體在流動(dòng)分離點(diǎn)和再附著點(diǎn)附近產(chǎn)生比較強(qiáng)烈的流動(dòng)方向轉(zhuǎn)變圖11（a），使得該處流動(dòng)阻力嚴(yán)重增加。對(duì)凹槽結(jié)構(gòu)采用倒角后，可以使流動(dòng)更平滑，避免較強(qiáng)的流動(dòng)分離及流動(dòng)方向轉(zhuǎn)變，從而顯著改善這兩個(gè)區(qū)域的協(xié)同性，使局部阻力顯著降低。采用倒角的結(jié)構(gòu)中低區(qū)域影響區(qū)域：非對(duì)稱(chēng)倒角下游凹槽倒角凹槽非對(duì)稱(chēng)倒角上游凹槽，說(shuō)明非對(duì)稱(chēng)倒角下游凹槽結(jié)構(gòu)流動(dòng)阻力最大，非對(duì)稱(chēng)倒角下游凹槽結(jié)構(gòu)由于下游壁面變陡，增強(qiáng)了流體的擾動(dòng)，強(qiáng)化換熱的同時(shí)也增加了局部阻力，非對(duì)稱(chēng)倒角上游凹槽雖然降低了局部阻力但強(qiáng)化換熱效果一般，綜合PEC考慮，非對(duì)稱(chēng)倒角下游凹槽結(jié)構(gòu)強(qiáng)化換熱效果最佳。3結(jié)論建立了超臨界水在單側(cè)加熱方通道

9、內(nèi)流動(dòng)傳熱計(jì)算模型，基于數(shù)值模擬研究，分析了超臨界流體常用換熱關(guān)聯(lián)式對(duì)超臨界水在單側(cè)加熱方管中的適用性，計(jì)算結(jié)果可進(jìn)一步為發(fā)動(dòng)機(jī)再生冷卻通道的設(shè)計(jì)提供參考。同時(shí)詳細(xì)分析了傳熱惡化產(chǎn)生的機(jī)理，比較不同強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)（雙通道和凹槽）的優(yōu)劣及機(jī)理分析。主要結(jié)論如下。（1）引起單側(cè)加熱方管內(nèi)超臨界水流動(dòng)傳熱惡化主要有以下兩點(diǎn)原因：黏性底層內(nèi)黏度增大使得邊界層局部增厚；黏性底層與緩沖層內(nèi)密度減小導(dǎo)致湍動(dòng)能降低。上述耦合影響導(dǎo)致傳熱惡化的出現(xiàn)。（2）綜合比較了六種關(guān)聯(lián)式，發(fā)現(xiàn)Fan關(guān)聯(lián)式與計(jì)算結(jié)果符合程度最高。傳熱惡化的發(fā)生主要由近壁區(qū)黏度和密度的變化導(dǎo)致，而Fan關(guān)聯(lián)式引入了壁面密度和黏度的修正，因此推薦

10、采用Fan關(guān)聯(lián)式預(yù)測(cè)單側(cè)加熱方形通道內(nèi)超臨界水的換熱性能。（3）在傳熱惡化產(chǎn)生的區(qū)域，綜合對(duì)比了雙通道和凹槽結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化傳熱效果，發(fā)現(xiàn)雙通道結(jié)構(gòu)強(qiáng)化傳熱效果有限，不適用于超臨界水的強(qiáng)化傳熱；凹槽結(jié)構(gòu)具有較好的強(qiáng)化傳熱效果，且引起的壓力損失小，其中非對(duì)稱(chēng)倒角下游凹槽結(jié)構(gòu)強(qiáng)化傳熱效果最佳。（4）場(chǎng)協(xié)同原理分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)于非對(duì)稱(chēng)倒角下游的凹槽結(jié)構(gòu)，其值較小的區(qū)域占比大，且低區(qū)域增加不明顯，說(shuō)明其強(qiáng)化傳熱的同時(shí)，流動(dòng)阻力增加不顯著，因此非對(duì)稱(chēng)倒角下游凹槽結(jié)構(gòu)綜合傳熱性能最佳。符號(hào)說(shuō)明cp流體比定壓熱容，Jkg-1K-1f,f0分別為強(qiáng)化結(jié)構(gòu)沿程阻力系數(shù)及光滑通道沿程阻力系數(shù)G超臨界水質(zhì)量流速，kgm-2s-1H流體焓，kJkg-1h方通道內(nèi)壁面表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，Wm-2K-1k湍動(dòng)能，m2s-2Nub,Nu,Nu0分別為Nusselt數(shù)、強(qiáng)化結(jié)構(gòu)Nusselt數(shù)、光滑通道Nuss