二次流现象及其应用

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1、二次流现象及其应用摘要：在流体工程中，普遍存在二次流现象，了解及分析二次流现象，有利于发挥二次流 的益处，减少二次流的害处 ，简述实际工程中二次流的应用。关键词：二次流、离心力、应用1、二次流现象常见二次流一般是流体在弯管中流动时，由于存在离心惯性力，管壁对流体的 粘滞作用使两侧管壁处流体速度低于管子中心处的速度，所以中心处流体的离心 惯性力大于管壁两侧处流体，因此流体在中心处有内侧向外侧流动，致使外侧处 压强增大，形成压差，产生一对涡流，产生二次流。弯管中二次流的形成必须具 备如下条件:流场必须有离心力场的存在;流场必须有剪切应力梯度的存在。1不 仅在弯管中会存在二次流，在各种传热设备中,存

2、在大量的非圆形管道.非圆形截 面直通道内存在二次流现象 ,称为第二类普朗特二次流 ,以区别于弯管内的二次 流。2、二次流应用二次流现象比较普遍,二次流的存在对物质迁移、能量转化会产生有利的或有 害的影响。我们研究二次流理论,就是要扬长避短,充分发挥二次流对物质迁移、 能量转化方面的优点,克服或减小二次流对物质迁移、能量转化的不足。2.1 二次流理论在热能工程中的应用二次流理论最早和最成功应用领域是热能工程 ,典型的结构是高效强化传热元 件螺纹烟管,螺纹烟管是一种有效的强化传热元件,在锅壳式燃油燃气锅炉上作 为对流受热面受到广泛的应用,比较常用的有单头螺纹烟管。单头螺纹管是采用 碾压的方法制造出

3、来的,碾压的结果使管外形成螺旋式凹槽,管内形成螺旋式凸起, 由于螺旋式凹槽或螺旋式凸起的存在,流体沿着凹凸不平的边界层流动时,将会产 生成对的旋转方向相反的二次流旋涡，即Gortler涡。二次流的作用使管内外表面 的换热系数得到很大程度的提高,其放热系数要比光管提高2 倍。2.2 二次流在正方形直截面管道的应用【1以空气-水为介质，通过可视化实验的方法，对边长为10 mm的正方形截面通道 内空气-水垂直上升流动的两相流流型进行了实验研究，表观气速为0.04100 m/s,表观水速为0.0016 m/s.观察到了正方形截面通道内两相流动的典型流型， 通过管外可视化及内视镜伸入管道内拍摄到清晰的环

4、状流和爬动流流型,证实了 正方形截面直通道内存在“二次流”现象,且对气-液两相流动的相分布有较大影 响.将正方形截面爬动流与圆通道内的溪状流进行了比较,由于其中的作用力不同, 它们在发生条件、流动形态及液膜形状上有很多异同点,圆通道内溪状流的液膜 是随机出现和分布的，数条液带、液丝的位置不确定,尺寸相差悬殊.利用单能Y射 线传感器测量了正方形通道内爬动流及环状流的液膜厚度,得到壁面上液膜厚度 的分布图,证明了正方形通道内随着表观气速的增大,二次流作用逐渐增强,使得 壁面上液膜分布的不均匀,壁面中心处液膜最厚。2.3 二次流在涡轮级叶栅中的应用二次流在叶栅流动中表现出显著的损失作用,其造成的流动

5、损失可占到气动总 损失30%50%.【2在叶栅出口位置处由马蹄涡两分支和通道涡共同形高损失区. 通道涡占据了静叶栅中二次流损失的主要部分,它的运动形态对低能流体在通道 内的分布起主要影响作用.在动叶栅中间隙涡和下通道涡为二次流损失的主要部 分.通过对这些地方进行结构改善，进一步提高涡轮级的效率,从根本上减小二次 流损失。2.4 二次流在弯管内磨损中的应用3二次流动阻碍了固相在次流截面上冲向弯管外壁的速度,固相二次流使弯管 外壁面中心区域的磨损量加大,在90截面处达到最大值,其磨损量是同截面侧 壁处的4 倍,固相二次流加剧了局部磨损,从而缩短了设备的寿命,通过加固结构， 防止弯管破裂，抑制二次流

6、都可以有效的增加设备寿命。2.5 二次流理论在生物工程中的应用传统的生物制品（如蛋白质）通过澄清、浓缩、净化几道工序制得,存在加工时间 长,产率低，成本高,纯度低等缺点。根据二次流理论，开发出一种旋流吸收器（VFA） 制备蛋白质等生物制品,VFA结构是一同轴的双圆柱体，外部圆柱体不动，而内部圆 柱体旋转超过临界速度时产生二次流,这样,在两圆柱体之间的空间,蛋白质被吸 附在吸附剂树脂上。在蛋白质旋流吸收过程中,以树脂作吸收剂,使得澄清、浓缩、 净化几道工序同时进行,生产出的蛋白质制品成本低,速度快,产率高,产品纯度高, 质量好。2.6 二次流理论在防洪和生态环境保护上的应用水在弯曲的河道中流动时

7、会产生旋涡（即二次流）,二次流作用的结果是弯曲河 岸外岸被冲刷,内岸有沉积物堆积。这对防洪和生态环境保护是非常不利的。利 用二次流理论,根据二次流的有关规律,在河岸的弯曲地段种植植物,或筑一些支 坝,就能有效利用弯曲减弱二次流的强度,降低洪水泛滥时因二次流的冲刷作用造 成的危害,保护生态环境。参考文献：1 郭亚军，毕勤成，何永清 正方形截面直通道内二次流现象的实验研究 西安交通大学学报第43卷第七期 2009年7月2 林奇燕，郑群，岳国强 叶栅二次流旋涡结构与损失分析 航空动力学报 第 22 卷第 9 期 2007 年 9 月3 毛靖儒，柳成文，相晓伟 弯管内二次流对固粒磨损壁面的影响 西安交通大学学报 第 38 卷第 7 期 2004 年 7 月