换热器中脉动流、电场混合强化传热机理研究

流体诱导振动强化传热与电场强化传热目前均是研究热点问题,本项目内容提出了脉动流、电场混合强化传热新思想,并基于该思想设计了新结构模型，拟采用理论分析、数值模拟和实验等方法,开展新模型的混合强化传热机理研究。具体研究内容有：1.无电场、脉动流强化条件下,弹簧-流体耦合系统的传热机理研究；2.针对混合强化传热新结构模型,建立三场联立的数学模型,分析讨论脉动流频率、电压、弹簧结构等主要性能参数与强化效率的匹配关系,研究混合强化机理；3.已有专利技术基础上,研制脉动流、电场混合强化传热换热器实验样机,开展相关实验研究。新提出的结构模型引入的弹簧电极将解决结构振动破坏、流体与振动结构频率匹配问题；同时改变了电场电极传统的固定布置方式，实现了动态电场强化，有效地将脉动流、电场强化方式组合起来；围绕新模型开展混合强化机理研究，对发展换热器强化传热新技术具有促进作用，成果应用亦可能产生显著经济和社会效益。

项目组基于脉动流、电场混合强化传热思想，将具有自主专利技术的脉动流强化传热换热器与电场强化传热换热器相结合，创新性提出了脉动流、电场混合强化传热换热器结构模型，并搭建出国内第一台脉动流、电场混合强化传热换热实验平台，其特点为：1）在换热器换热管中间放置高压电极，电极一端与直流高压电发生器连接，能够在管路中产生0-50 kV电场；2）根据自主专利技术研制出高压电密封换热器系统，能够保证高压电环境下以水及其它较强导电流体为工质的操作安全；3）自主开发了脉动流发生器实物样机，脉动流发生器采用旁路安装，能够在管路中产生不同频率及幅度的脉动流；4）购置美国NI数据采集系统，采集研究所需温度、压力和流量等数据。项目组在此混合强化换热实验平台基础上，采用数值计算方法对换热管内流场、速度场及传热性能进行研究，采用实验方法对换热器平台传热、流阻及综合性能进行研究，换热管管程入口流量q分别设定为0.1, 0.2, 0.3, 0.4m^3/h，脉动频率f为0, 1, 2, 3Hz，加载的电压值U为0, 10, 20, 30, 40kV。通过本项目研究，获得结论有：1）脉动流单独作用时，管内速度分布云图呈层状分布且边界层曲线较圆滑，管内部分轴向速度转变为流体的径向速度；强化传热系数随脉动流频率和流量的增加而增大，大流量工况下脉动流的强化换热效果更好，但脉动流单独作用时强化效果不明显，f=3Hz，q=0.4m^3/h有最大强化传热系数1.05；管内压降随脉动频率和流量的增加而增大，在f=3Hz，q=0.4m^3/h有最大压降值6500 Pa。 2）电场单独作用时，管内速度分布云图有块状紊流产生；强化传热系数随着电压的增加而增大，且强化传热系数在低电压区域（0-25kV）增长缓慢，在高电压区域（25-35kV）增长较快，超过35kV后，强化传热系数的提高速度渐趋平缓；强化传热系数随流量的增加而减小，U=40kV，q=0.1m^3/h有最大强化传热系数1.12；管内压降随着电压的增大近似趋于不变。 3）脉动流电场混合作用时，速度分布与单独脉动流强化和单独电场强化时明显不同，管内速度分布有明显的块状紊流区域，并且有波浪型振荡现象；强化传热系数随着频率和电压的增加而增长，并且电场对强化传热系数的影响更大，在q=0.1m^3/h 时有最大值1.25，脉动流电场混合作用可达到至少111.6%的复合增益。