同轴射流冲击传热与流动特性的实验与数值模拟研究

发布时间：2020-05-29 04:37

【摘要】：射流冲击换热是一种非常有效的强化传热方法。周期性脉动的射流可有效地强化冲击传热,而同轴射流由于中心射流与环流的交互作用,对流动与传热都会产生重要影响,本文将这两个因素综合考虑,创新性地对非稳态周期性同轴射流冲击传热进行了实验和模拟的研究,取得了一些初步的结果。在已有的实验平台上开展了实验研究。实验过程中采用了三种具有不同直径比d/D和内套管长度的同轴喷嘴,其它参数还包括雷诺数、冲击高度以及周期性脉动的波形。实验表明,稳态的同轴射流冲击传热时,较小雷诺数下同轴射流对冲击传热的强化效应更显著,较低冲击高度时整体强化换热效果更好。驻点处,直径比d/D较大、同轴套管较长的B型喷嘴强化传热效果最佳,但远离驻点时无明显优势。非稳态冲击传热实验中,采用了矩形、三角和正弦三种波形,由于矩形脉动强烈的冲击效应,其换热效果显著优于三角和正弦脉动。频率增加能显著改善传热效果。同轴射流主要影响驻点附近的传热,而射流脉动能影响整个冲击平板。同轴脉动射流得以强化换热是这两种效应耦合的结果,但脉动冲击起的作用更大。在流场模拟中,相比同轴套管的长度,直径比是影响流场进而影响传热特性的主要结构参数。直径比越大,中心射流速度越比环形射流速度高,出口速度场双峰也越局限于出口附近。在稳态传热模拟中,冲击传热特性与速度场密切相关,在冲击驻点附近的传热Nu数受直径比影响很大。随着冲击高度和离开驻点径向距离的增加,冲击传热性能与直径比之间的依变关系弱化。本文最后对矩形波脉动的非稳态冲击传热特性开展了初步的模拟探索。对于较小直径比的同轴射流,提高雷诺数和矩形波频率不一定利于强化换热;而对于较大直径比的情况,这两种方法能有效提高驻点附近的Nu数。不论同轴射流还是圆柱射流,冲击高度较高时换热均匀性都变得更好。
【图文】：

源危机再次加速了相关技术的发展［１］。冲击射流是单相流中，传热效率非常高的逡逑一种，尤其在喷嘴与冲击平板间距较近时优势尤其突出，因此得以广泛应用于逡逑各种加工工艺和设备中，如涡轮机叶片的冷却，纸张的干燥，熔炉的加热，玻逡逑璃和金属板的控温，电子芯片的冷却和食品加工工艺等［２’３］。如图１．１，列举了冲逡逑击射流应用于工业上的几个例子。逡逑

随着电子、汽车、飞机等高端制造行业同行竞争加剧，谁效率高，能耗少，逡逑成本低，谁就能获得更多的利润和更大的市场份额。这就对冲击射流强化传热逡逑的研究提出了更高要求，极大促进了相关技术的发展，图１．２为冲击射流的一逡逑些常见应用实例。逡逑ＩV矗海琷…逡逑－－＾ＡａＺＬ－．ｖ－ｒ－逡逑３＼ｎｔｔ逡逑（ａ）计算机空气射流冲击（ｂ）计算机水射流冲击逡逑图１．２射流冲击在电子行业的应用逡逑１．２冲击射流研究现状逡逑近来，针对冲击射流的不论是理论方面、实验方面还是数值模拟方面的研逡逑宄都层出不穷，取得了喜人的进展。研究方法也有了巨大的创新和深入的发展。逡逑理论分析的成果具有引导作用，是实验研宄和数值模拟的基础，但理论分析通逡逑常理想化实际问题为一个简化模型，，而多数流动问题的控制方程是非线性的，逡逑不能很好应用到实际情况中，因此目前针对冲击射流的理论研究较少，多集中逡逑在实验研宄和数值模拟两方面。逡逑１．２．１冲击射流实验研究现状逡逑对射流冲击的研究来说，十分重要的一环就是实验。射流冲击的一些传热逡逑机理至今仍未得到充分、合理的解释
【学位授予单位】：中国计量大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK124

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本文编号：2686408