基于流场与温度场同步测量的管内对流强化传热机理研究

Heat transfer enhancement in pipes is beneficial for the development of newly compact heat-exchangers with high heat transfer efficiency, and consequently improves energy efficiency and reduces costs. Former studies reveal that flow with multi-longitudinal vortexes in pipes can enhance heat transfer with small increase in pressure drop. In this study, we design heat transfer enhancement pipes that can form flow with multi-longitudinal vortexes, and build an experimental setup that can simultaneously measure the flow and temperature fields by particle image velocimetry (PIV) and planar laser induced fluorescence (PLIF). Then, we analyze the experimental data from the following aspects: first, we calculate the statistical quantities of the flow and temperature fields, which can be used to validate and optimize numerical simulation; second, we use cross correlation function to analyze the relationship between the instantaneous flow field and temperature field; third, we use proper orthogonal decomposition to extract the coherent structures and study their effects on heat transfer enhancement; fourth, we use the PIV experimental data to solve the N-S equation to calculate the time-averaged pressure gradient and then evaluate the characteristics of flow resistance for the coherent structures; finally, we propose a scanning PIV-PLIF technique to measure the three-dimensional time-averaged flow and temperature fields to calculate the local field synergy angle. This study is useful for designing heat-exchangers, and the heat transfer enhancement pipes are also of significance in engineering application.

强化管内传热性能有利于发展换热效率高、结构紧凑的新型换热设备，从而节约能源与降低成本。前期研究表明，管内多纵向涡结构能够强化传热并且阻力增加的幅度不大。本项目先设计出能够产生多纵向涡的强化传热管，并搭建基于粒子图像测速技术(PIV)与平面激光诱导荧光技术(PLIF)同步测量管内瞬时流场与温度场的通用实验平台。从以下方面对实验数据进行分析：①基于实验获得的时均流场与温度场对强化传热管内数值模拟进行验证与优化；②利用互相关函数研究瞬时流场与温度场的相关性；③利用本征正交分解方法提取管内流动的拟序结构并研究其对强化传热的作用；④结合流动控制方程与PIV实验数据求解时均压力梯度场来研究拟序结构的阻力特性；⑤利用扫描PIV-PLIF方法测量三维时均流场与温度场，进而从实验上获得局部场协同角。项目对于换热设备优化设计有一定的基础研究意义，所设计出的强化传热管对工程实际也有一定的参考价值。

强化管内对流传热可以提高传热效率并缩小换热设备尺寸从而实现节约能源与降低成本的双赢目标，有利于缓解我国严峻的节能减排形势。本项目主要研究单相对流强化传热的机理，以瞬时流场与瞬时温度场的相互作用为切入点。首先，项目组在场协同以及传热优化理论的指导下，设计了一系列的强化传热管，对其流动与传热性能进行了数值模拟研究，加工了综合传热性能优异的强化传热管进行进一步研究。其次，项目组搭建了一套测量强化传热管内流场的通用实验平台，对所设计的强化传热管内流场进行了测量并且将实验结果与数值模拟结果进行了对比，从而为强化传热管乃至整个换热器的数值模拟提供了实验依据。再次，考虑到国外流场与温度场商业测试系统的昂贵价格，项目组对粒子图像测速技术与激光诱导荧光技术对液体中流场与温度场同步测量的技术方案进行了深入的研究，自行设计测试系统并且获得了成功，相关技术方案也申请了发明专利。项目组研究发现单色激光诱导荧光技术测量温度场时无法消除激光衰减的影响，这也是本项目暂时没有能够将流场与温度场同步测量技术应用到强化传热管内的测量中的主要原因。双染料双色激光诱导荧光技术则能很好消除激光分布不均匀对温度场测量的影响。项目组通过适当的调整研究计划与实施方案，利用自行开发的流场与温度场同步测量系统对上下平板方腔内以及圆柱腔内的自然对流进行了测量，并且对淹没热射流中的流场与温度场同时进行了测量，淹没热射流可以认为是一种典型的强制对流。本项目以实验研究为主，获得了大量的强化传热管内的流场数据，以及自然对流与射流中的流场与温度场实验数据，部分实验数据已经发表整理，还有部分关键数据待整理发表。项目的研究结果表明，瞬时流场与瞬时温度场的相互作用关系十分复杂，流场中的拟序结构对流动与传热的主导作用，这也为流动控制以及强化传热提供了指导方向。此外，项目组所开发的流场与温度场同步测量系统有望在后续研究中获得更广泛的应用。