壁面结构和温度梯度对Taylor-Couette流动稳定性影响的研究

Taylor-Couette flow exists in co-axial rotating electrical equipment such as electric motor， clutch and rotary blade coupling in vehical.The key to increase the performance of these machines is to improving the heat transfer ability in this flow.The influence mechanism of wall geometry structure on the flow transition and heat transfer process is studied by experimental and numerical calculation method.To study the transition process between different flow regime and the relationship between wall geometric parameters and critical Reynolds number, Particle Image Velocimetry combines with index matching method is applied in the flow measurement, and the date is analyzed by Proper Orthogonal Decomposition method .The effect of temperature gradient and wall geometry on the flow transition process is studied by analyzed the flow and temperature distribution, which is obtained by numerical calculation method. In this study, the heat transfer experimental setup is also designed to study the wall geometry effect on the heat transfer process, and the heat flux in the annular gap, the heat transfer coefficient and the Nusselt number is calculated by the experimental data, the empirical formulas about heat transfer is obtained based on these data. The study in this project can provides a new method to the study of the Taylor-Couette flow under complex conditions, and the result achieves in the study can provide basis for the designing of the relevant machinery.

同轴圆柱间的Taylor-Couette流动广泛存在于电机、旋转叶片耦合器、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。本项目研究壁面几何结构对Taylor-Couette流场转捩及传热过程的影响机制。利用PIV结合折射率匹配法完成不同模型内的流场测试工作，对数据处理所得结果，应用本征正交分解方法分析不同模态的流场信息，确定各个流态转捩过程的临界点，探索壁面几何参数与临界雷诺数之间的关系；采用数值模拟的方法获得环形间隙内温度场分布，分析流场和温度场之间的关联性，阐明温度梯度和壁面结构对流场转捩过程的影响机制；根据实验数据计算不同工况下环形间隙内的热流通量、对流换热系数以及Nu数，以此为基础建立传热准则关联式，揭示壁面结构对传热过程的影响规律。项目研究能够为复杂条件下Taylor-Couette流动的研究提供新思路，所取得的成果也可以为相关装置的传热优化设计提供依据。

同轴环隙间的Taylor-Couette流动广泛存在于电机、核主泵、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。项目研究了外圆柱壁面沟槽对Taylor-Couette流场转捩及传热过程的影响规律。利用PIV结合折射率匹配法完成了不同模型内的流场测试工作，结合本征正交分解、涡量和湍流强度的计算，确定各个流态转捩过程的临界雷诺数，掌握了壁面沟槽数量与临界雷诺数之间的关系，获得了沟槽壁面加速流场转捩、影响波动涡流的波动频率和振幅等结论。研究了温度梯度影响下不同模型内的流场稳定性问题，获得温度梯度影响泰勒涡轴向尺寸的结论，随着格拉晓夫数的增加，泰勒涡的数量减少，项目中研究的内壁面高温形成的温度梯度，促进了逆时针旋转的涡胞，减弱了顺时针的涡。利用数值模拟进一步研究沟槽壁面对环隙内流动稳定性的影响规律，结果表明沟槽的存在促进了环隙内流体的外射流作用，沟槽内形成的漩涡流动促进了环隙内流体与沟槽内流体的相互作用，使得环隙内流体的流动状态发生改变，加剧了环隙内的流动不稳定性。在上述实验及数值模拟研究的基础上，项目针对沟槽壁面对环隙内泰勒涡传热性能的影响做了深入研究，分析了泰勒涡出现前后内壁面热流密度的变化规律，验证了泰勒涡能够强化环隙内流动传热过程。在对比不同沟槽模型计算结果的基础上，获得了沟槽数量对环隙内流体换热系数的强化规律，结合实验和数值模拟，建立了光壁模型和不同沟槽模型内流体的努塞尔数与雷诺数之间的关联式，揭示了壁面沟槽数量对环隙内流体传热过程的影响规律。项目的研究有助于加深对复杂边界条件下Taylor-Couette流动的认识，为提高电机散热效率以及缓解核主泵泵轴表面的热疲劳现象的优化设计提供依据。