沟槽壁面强化环隙内Taylor-Couette流动传热过程的机理研究

Taylor-Couette flow exists in co-axial rotating machinery such as primary-loop recirculation pump and electric motor. The key to improving the performance of these machines is to enhance the heat transfer ability of this flow. The influence mechanism of slit wall number on the flow transition process was obtained by our previous study. In this project，structure parameter of slit wall and axial flow will be considered. The research work will focuses on the mechanism of how the slit wall affects the stability of Taylor- Couette flow and its enhancement on heat transfer process. Based on the high accuracy measuring method of the flow field in the annular gap，the flow field in the slit wall model will be measured, and the relationship of wall geometric parameters to critical Reynolds number will also be obtained. The temperature distribution is obtained by experiment measurement and numerical calculation method, the heat transfer characteristic of Taylor vortex will be obtained by analyzing the flow and temperature distribution.The optimal slit wall model with performance of enhanced heat transfer will be obtained by the combination of experimental, numerical simulation and optimization methods. The mechanism of heat transfer process enhanced by slit wall will be obtained, and the basic principle of the slit wall optimal allocation will be proposed through the above research. The research achievements of this project will provide evidence for heat transfer optimum design of some related devices, and also will supply new idea about solving the thermal fatigue problem of primary-loop recirculation pump.

环隙内Taylor-Couette流动存在于核主泵、电机等设备中，提升该流动的传热能力，是改善此类设备性能的关键。本项目在已掌握沟槽数量对环隙内流场结构及不同流态转捩过程影响机制的基础上，将沟槽结构参数和轴向流纳入到研究中，以沟槽对Taylor-Couette流动稳定性的作用机制及其强化泰勒涡传热过程的机理作为基础科学问题开展研究。在建立环隙内流场高精度测量方法的基础上，获得沟槽模型内的流场分布，探索沟槽结构参数与临界雷诺数之间的关系；采用数值模拟和实验测试相结合获取环隙内的温度场分布，分析流场和温度场之间的关联性，探讨不同流态下泰勒涡的传热特性；通过实验、模拟以及优化方法的结合，获得传热性能最优的沟槽结构参数，揭示沟槽壁面强化环隙内流动传热过程的机理，提出沟槽结构参数优化配置的基本原则。项目研究能够为相关装置的传热优化设计提供依据，也为解决核主泵泵轴的热疲劳问题提供了新思路。

环隙内的Taylor-Couette流动广泛存在于电机、高温泵、离合器等装置中，提升该流动的传热能力，是改善此类设备性能的关键。项目以沟槽对Taylor-Couette流动稳定性的作用机制及其强化泰勒涡传热过程的机理作为基础科学问题开展研究。通过PIV测试获得了不同工况下的流场分布，研究了沟槽壁面对波动涡流振动频率和振幅的影响规律，研究了层流向湍流转捩过程中的流动稳定性，掌握了沟槽结构对流场转捩临界雷诺数的影响规律，实验结果表明沟槽能够加速层流向湍流的转捩，受径向温度梯度的影响，环隙内泰勒涡轴向运动速度增加，加速了层流向湍流的转捩。完成了不同旋转雷诺数、热流密度和旋转加速度下的实验测量，结果表明：内圆柱表面局部努赛尔数均沿着轴向呈现增大的趋势，外圆柱表面局部努赛尔数沿着轴向呈现减小的趋势；随着旋转加速度的增加，内外圆柱表面的平均努赛尔数增长率逐渐增大，较大的旋转加速度有助于提升泰勒涡的换热性能。研究了沟槽结构参数对泰勒涡换热性能的影响规律，在一定范围内增加沟槽宽度，有助于环隙内的泰勒涡与沟槽区域小尺度涡融合，能显著提高模型的换热能力；随着沟槽数目的增加，模型的换热性能呈现先增强后减弱的变化规律。轴向流的存在增大了泰勒涡的轴向尺寸，加剧了泰勒涡的不稳定性，环隙内流体传热性能随着轴向雷诺数增大而增大；对比了三种不同形状沟槽模型内泰勒涡的换热性能，结果表明梯形沟槽模型的换热性能较矩形和三角形更优。在掌握沟槽结构参数对泰勒涡换热性能影响规律的基础上，基于响应面方法优化了沟槽结构参数，建立平均努塞尔数与沟槽结构参数、雷诺数、普朗特数之间的关联式，通过实验、模拟以及优化方法的结合，获得了传热性能最优的沟槽结构参数，揭示沟槽壁面强化环隙内流动传热过程的机理，项目研究能够为相关装置的传热优化设计提供依据。