电荷注入引起的电羽流及其强化传热应用的数值研究
发布时间：2021-01-22 09:19
电流体动力学（Electrohydrodynamics,EHD）作为电磁学与流体力学的交叉学科,在经典物理问题的研究以及包括传热传质强化和等离子流动控制在内的实际应用等方面有着十分重要的地位。利用电场进行传热的强化因其智能高效、低噪音、无机械运动部件和结构简单等优势,近年来愈发受到研究者的关注。对于复杂的电热对流问题,直接数值模拟的方法可以获得全面的物理场信息并更加直观地提供结果,对复杂问题本身的理解大有裨益。EHD问题涉及多物理场的强烈非线性耦合,在数值模拟方面的发展较为缓慢,对该问题机理和流动细节的研究较为缺乏。本文的主要研究目的是利用基于有限体积法开发的数值模拟平台研究“刀片-平板”模型中电场和热场耦合的电热对流物理问题,评估电场的强化传热效果。首先详细介绍了电热对流的数理模型和电荷注入及放电过程等理论基础,随后介绍了所用的基于有限体积法发展的数值求解方法,并分别对流场、静电场和温度场计算模块进行了充分验证。电荷注入引起的纯电对流问题是更复杂的电热对流研究的基础,电羽流流动结构和特性的理解有至关重要的作用。本文通过改变纯电对流模型中的主要无量纲控制参数,对各参数影响下的流动结构和...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
刀片-平板电对流实验结果[29]：(a)实验腔体示意图(b)正负电压下的速度场矢量图
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文传热性能的增强超过 200%。2010 年，Sadek 等[53]使用同心线—圆柱电极并在发射电极上施加一个脉动的高压，证明了脉冲高压可以扩大传热和压降的范围，并认为通过控制脉动的频率可以对系统进行合理的控制。2018 年，Testi[54]以 MIDEL7131 为工作介质，对针-板模型下的电对流强化传热进行了实验研究，实验腔体示意图和实验中得到的努塞尔数随电压的变化曲线如图 1-2，通过改变针尖材料与极性、电压、针板间距和热流密度等研究了各参数对于强化传热效果的影响。结果表明在小功率电能输入（ 0.01W）的情况下，热传递效率提高到了纯自然对流条件下的 310%。
件、无量纲形式及参数。2.1 电热对流物理问题描述本文研究如图 2-1(a)所示的由刀片（blade）和平板（plate）金属电极组成的结构（简称“刀片-平板”结构）。该结构整体浸没在介电液体中。上、下电极分别施加不变的电势 1和 0，从而对液体施加一个非均匀直流电场。液体在电场体积力作用下会运动，称为电对流。对于直流电场，电场作用于空间自由电荷的库仑力是电场力的主要分量。本研究只考虑由于电极／液体界面的电化学产生的注入（injection）机制产生的自由电荷。图 2-1(a)展示了电荷从上刀板注入液体中，电场作用于这些自由电荷并驱动它们向平板电极运动，同时带动周围液体运动形成指向平板的流动，即电羽流。为了考察该类电场驱动流动的强化传热效果，我们考虑平板电极上有一个局部热区域（即该区域温度比周围流体温度高）。此时，流体处在电场和非均匀温度场的共同作用下，形成电热对流。需要指出的是，“刀片-平板”结构在介电液体电对流和气体放电的实验[29,69]和数值研究[70,71]中经常被采用。
【参考文献】：
期刊论文
[1]离子风强化平板对流传热的数值模拟[J]. 赵矗,张剑飞,何雅玲,陶文铨. 工程热物理学报. 2014(03)
[2]微通道EHD强化换热研究的进展与现状[J]. 张怡,刘红敏. 太阳能学报. 2012(S1)
[3]以水为工质的EHD强化管内对流换热实验研究[J]. 杨侠,张捷,吴艳阳,张涛. 热能动力工程. 2011(05)
[4]EHD空气泵气流加速分析[J]. 周砚江,毛晓靖,胡一枫,王培养. 机电工程. 2010(02)
[5]强化传热技术及其应用[J]. 牛小飞,李志学,徐永明. 广州化工. 2009(09)
[6]高压电场强化空气对流传热实验及其数值模拟[J]. 罗小平,高贵良,方振鑫. 化学工程. 2008(05)
[7]电流体动力学研究进展及其应用[J]. 陈效鹏,程久生,尹协振. 科学通报. 2003(07)
[8]水平光滑管外油自然对流换热的电场强化效应[J]. 刘振华,陈玉明. 上海交通大学学报. 2000(09)
[9]EHD强化水平管外沸腾传热的试验研究[J]. 李瑞阳,施伯红,郁鸿凌,陈之航. 工程热物理学报. 2000(01)
[10]EHD强化传热机理分析[J]. 李瑞阳,陈赉宝,陈之航,袁益超. 华东工业大学学报. 1996(04)
博士论文
[1]低温余热发电模型中EHD强化凝结换热效应研究[D]. 陈春天.哈尔滨理工大学 2007
本文编号：2992974
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
刀片-平板电对流实验结果[29]：(a)实验腔体示意图(b)正负电压下的速度场矢量图
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文传热性能的增强超过 200%。2010 年，Sadek 等[53]使用同心线—圆柱电极并在发射电极上施加一个脉动的高压，证明了脉冲高压可以扩大传热和压降的范围，并认为通过控制脉动的频率可以对系统进行合理的控制。2018 年，Testi[54]以 MIDEL7131 为工作介质，对针-板模型下的电对流强化传热进行了实验研究，实验腔体示意图和实验中得到的努塞尔数随电压的变化曲线如图 1-2，通过改变针尖材料与极性、电压、针板间距和热流密度等研究了各参数对于强化传热效果的影响。结果表明在小功率电能输入（ 0.01W）的情况下，热传递效率提高到了纯自然对流条件下的 310%。
件、无量纲形式及参数。2.1 电热对流物理问题描述本文研究如图 2-1(a)所示的由刀片（blade）和平板（plate）金属电极组成的结构（简称“刀片-平板”结构）。该结构整体浸没在介电液体中。上、下电极分别施加不变的电势 1和 0，从而对液体施加一个非均匀直流电场。液体在电场体积力作用下会运动，称为电对流。对于直流电场，电场作用于空间自由电荷的库仑力是电场力的主要分量。本研究只考虑由于电极／液体界面的电化学产生的注入（injection）机制产生的自由电荷。图 2-1(a)展示了电荷从上刀板注入液体中，电场作用于这些自由电荷并驱动它们向平板电极运动，同时带动周围液体运动形成指向平板的流动，即电羽流。为了考察该类电场驱动流动的强化传热效果，我们考虑平板电极上有一个局部热区域（即该区域温度比周围流体温度高）。此时，流体处在电场和非均匀温度场的共同作用下，形成电热对流。需要指出的是，“刀片-平板”结构在介电液体电对流和气体放电的实验[29,69]和数值研究[70,71]中经常被采用。
【参考文献】：
期刊论文
[1]离子风强化平板对流传热的数值模拟[J]. 赵矗,张剑飞,何雅玲,陶文铨. 工程热物理学报. 2014(03)
[2]微通道EHD强化换热研究的进展与现状[J]. 张怡,刘红敏. 太阳能学报. 2012(S1)
[3]以水为工质的EHD强化管内对流换热实验研究[J]. 杨侠,张捷,吴艳阳,张涛. 热能动力工程. 2011(05)
[4]EHD空气泵气流加速分析[J]. 周砚江,毛晓靖,胡一枫,王培养. 机电工程. 2010(02)
[5]强化传热技术及其应用[J]. 牛小飞,李志学,徐永明. 广州化工. 2009(09)
[6]高压电场强化空气对流传热实验及其数值模拟[J]. 罗小平,高贵良,方振鑫. 化学工程. 2008(05)
[7]电流体动力学研究进展及其应用[J]. 陈效鹏,程久生,尹协振. 科学通报. 2003(07)
[8]水平光滑管外油自然对流换热的电场强化效应[J]. 刘振华,陈玉明. 上海交通大学学报. 2000(09)
[9]EHD强化水平管外沸腾传热的试验研究[J]. 李瑞阳,施伯红,郁鸿凌,陈之航. 工程热物理学报. 2000(01)
[10]EHD强化传热机理分析[J]. 李瑞阳,陈赉宝,陈之航,袁益超. 华东工业大学学报. 1996(04)
博士论文
[1]低温余热发电模型中EHD强化凝结换热效应研究[D]. 陈春天.哈尔滨理工大学 2007
本文编号：2992974
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