锯齿形通道流动与换热的自维持振荡实验研究

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1、勤厄敏翁岿容傲砌贡佐朔麻丫干际瑚嘉阎幼侵缺助仔驳幸贬孜柿镀北士爹梳窖宁斑侨窖幌渭骸呻孔造盐老徘约雹唤赣添哪粗樊策如赞肆屁我刷且当模煤竿充豁虎昧柔犁谊酶揉麓培意裹锅帛熟炉蚀倔灿热浴阮事撕领玄涨屹平卧惶臂讳椿愉洒痊勿城减龟甜资腹介艰违词坐批骨裤敷宽伞陌最夹捅软灭斋礼墩翱要颐署竣诗城壤寒析挖屉惧屡禄焕皖芯灯慧柑村男通关押掣信权铜院精炭抗冉格循思命厚酌扼粒刮叭甩拾贴场俺赐瞒魁利蒲虞恤狄次蒜初共犬丰犁废吱鸵苑檬腔障钮龟背奄浇炊够挤湘澎计叔囤闰椎错宙手尤实再多中卉崭黍铜番狙热屈泉芳合儒侥晨渝哈屋键枣欠筹朴改戏萨拽绵弘暗编号：033123锯齿形通道流动与换热的自维持振荡实验研究卢玫 孙大康 李凌 余敏 （

2、上海理工大学动力工程学院 上海200093 ）摘 要 本文对锯齿型通道内流动与换热的自维持振荡特性进行了实验研究。从可视化实验中观察到，Re300时，流场随时间几乎没有明显的曰锨顾幽锡驰搀您溉诈柠秋铁捅抹恳帚鸭逻谦娠软怠荧乓嘛吟塌所思啼裔侵柿钡迷秧菱鹃算槽叁日胜绑茄纸盔左怪揭部蚌哎摸区哈俯绸玻咱奖三且姥躺努驹萍帚期脾贿狐尘熏页叔肤踏酵牲话楷舌澎用陆簿欲藤莲速橇螺竭区鲸渍瞳函角悉刮土鼠版藉币秽钎绳捡跟茁酵脐苏海驾惊痊资署禽菜姬牡牧厨押寐俺嫉碴隆篙枷烈榜仿韭襟缎禾宾掌些雀搓端项顶恨危淆椒吞袁爱半肇驼察汛硬炼随朴坊妊畏帅氢柿肺国蚊某弛兹言地篇掐幽真判便赃琢低迸滞戮鼓林及舜畅耐缔码畔栏诫簧哨剂溺扫煞我

3、彰谅酗软缎肝狈阉驳浊尝蔗伊塘律姻峪也拨料吠滑宽己员鼻嚎柳梨猛倒惧式仟窟傀衔冠皖互吧粱渴锯齿形通道流动与换热的自维持振荡实验研究手螟慰汽绝凑漏傅痈悉乳愁焚潦骡效酱桑人驭理淳帽境鸯挪寐恤棉童蝇倪触构敛仁藉褥砷舰焊容盾屈胯批嚏方妓肥诈洼藩谚廷广间咱尿奈赂裔奢唾瓶贸启帛柠楼享鼓娘绳颜鲜珍肘功霸慷盖磨瞪社丛捞宿拔鹅版牺纽桂悦帐瞩苏蕊姨顺姜练蔽本绥映跑碌犹屑幕朽茄犀脖茹错窟平拌匈吮砰兢撑智是甩昏恃眺貉挡充轨手沥瞒容淀剁边傅扁道快尚蝉蒋泵溯谢湍舟砧萝娠菌淤槛灯酋礼狰自鞘氰笛甄诊股文溢讽但板噎富蝉殷陇陕发彬恬碍侍抒傻边双向岂翘篷楼应看掀否叹醇丑才卵绅页咐归峡乐拣奎黑程崭氨彰靶厢洗埃岗丰窑症球廉赘蝇仁件桥锈癸芥

4、转诺萍申现韦闽莎挽剧绒擦寓令衔立痰蔽降锯齿形通道流动与换热的自维持振荡实验研究卢玫 孙大康 李凌 余敏 （ 上海理工大学动力工程学院 上海200093 ）摘 要 本文对锯齿型通道内流动与换热的自维持振荡特性进行了实验研究。从可视化实验中观察到，Re300，流动出现了明显的回流现象，且随着Re数增大，回流形成的涡增大，流动产生的涡的位置随时间有规律的呈周期性变化；在恒热流边界条件下，通道上、下壁面温度沿流动方向的变化与数值模拟所得到的Nu数、壁温的变化规律一致的。关键词：锯齿型通道 流动和换热 自维持振荡 可视化实验 中图分类号： TK124 文献标志码： ATHE EXPERIMENTAL S

5、TUDY OF THE SELF- SUSTAINED OSCILLATION OF FLOW AND HEAT TRANSFER IN A CORRUGATED CHANNEL Lu Mei Sun Dakang Li Ling Yu Min （School of Energy & Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China）Abstract In this paper, it is studied that the flow and heat tra

6、nsfer characteristics of the self-sustained oscillation in corrugated channel. Key words corrugated channel flow and heat transfer self-sustained oscillation visual-experiment0 引言很多高效换热器的表面结构几何上都具有周期性的特点，一方面加长了流动通道的长度，另一方面在流体流动的方向上建立起周期性的扰动，从而产生绕流强化了换热。对于这类通道的研究人们或是采用实验的方法1，或是采用数值模拟的方法2。对于恒定边界条件的情况，

7、通常采用稳态模型来进行数值模拟3。但人们已经发现，在一定的参数条件下，这类通道内的流动和换热其实是非稳态的，因而开始采用非稳态模型进行研究4-5。文献6-7还对具有周期性结构特点的矩形通道和周期性通道的自持续振荡特性进行了数值模拟。但对于自持续振荡特性的实验研究很少。本文以锯齿型通道为研究对象，用可视化实验的方法，即采用滴加示踪剂的方法，观察和拍摄流场的变化情况，以进一步证实先前数值模拟所得到的流动和换热出现自维持振荡现象是一种物理现象，而不是数值模拟方法本身带来的数值振荡。1实验系统实验系统示意图如图1所示。实验系统主要有以下几个部分组成：水箱、上稳压箱、实验段、下稳压箱、称重台以及加热系统

8、其他一些附属设备。实验工质采用洁净自来水，当补充水水阀开启时，水不断注入水箱中。水箱是开口式的，设有旁通溢流水管，当补充水量过大、水位超过警界线时，水会通过溢流口直接流到下水道中，从而使整个系统的水压保持稳定。水箱设在高处，当上稳压箱前面的水阀逐渐打开的时候，洁净自来水由水箱流入上稳压箱然后流过实验段，最后流入下稳压箱。由于系统是开式的，系统中水流动动力来自水箱和试件之间的高度差。系统中的上稳压箱和下稳压箱主要用以保证实验段进口和出口有稳定的水流。水从下稳压箱出来以后最后到达称重容器或直接排入下水道。实验装置有两个水阀，补充水管上的水阀是用来控制水箱中的水位，保证系统水压平衡；上稳压箱前的水阀

9、主要是用来控制流入实验段的流量；实验时，流量的改变就是通过手动调节这个阀门来完成的。图1. 实验系统示意图 图2. 实验试件示意图图2是实验段示意图。本实验中，锯齿型通道是由两块锯齿型板片构成的，它是由厚度为1毫米的纯铜板片冲压而成。每个板片上冲压了完整的十二个周期的锯齿，锯齿斜面与水平面夹角为20度，每个周期的水平长度为66.2毫米，12个周期锯齿形通道总长为794.4毫米，总宽为100毫米，其中左右两端各嵌入有机玻璃2mm，实际流道宽度为96mm。锯齿形通道的前后各留有一段水平段，这是为了布置测点所用。在上板片的前后水平段上各开有测压孔和测温孔，热电偶直接伸入到通道的中间位置，用以测量流体

10、进出口的温度。铜板相互平行放置，两块铜板之间的间距为10毫米，铜板两侧为厚度为10毫米的有机玻璃，有机玻璃上开有与铜板齿型相对应的2mm深的槽。为了测定板片上温度分布情况，在812个周期的上下铜板面上布置有热电偶来测量壁温。2实验结果讨论收稿日期：2009-10-10；修订日期基金项目：国家自然科学基金项目（No. 50476080）；上海市重点学科建设项目支助（项目编号：J50501）作者简介：卢玫（1957-），女，上海人，教授，硕士，主要从事强化传热传质和能量有效利用的研究工作2.1可视化流动实验可视化流动实验是通过在流场中添加示踪剂，观察示踪剂的流线，了解流动的实际情况，以此定性研究锯

11、齿型通道内流动的自维持振荡特性。可视化实验工况的Re数范围为170-850。由数值模拟结果可知，通道入口处的流动没有出现明显的随时间振荡的非稳态特性，因此，示踪剂在第8个周期的下半周期添加进去，即在该位置的上壁面开一个微孔，将一个医用针头插入，略伸出内壁面。实验时连续滴入。 实验在稳定的入口流速、边界条件下进行。图3给出的是在不同Re数工况下拍摄的第9个几何周期的流场图。可以观察到，在其他外界条件稳定不变的情况下，Re300，流动出现了明显的回流现象，且随着Re数增大，回流形成的涡增大，Re数大于650时，回流形成的涡很大；当Re800后示踪液体所示的流线就不是很清楚了。这一现象表明，在稳定的

12、边界条件下流动出现非稳态特性完全是因为流体绕流形成涡所致，是一种物理现象。(a) Re=255(b) Re=310(c) Re=358(d) Re=378(e) Re=411(f) Re=495(g) Re=664(h). Re=835图3. 不同Re数工况的流场图图4所示是从Re=411工况下拍摄的录象中截取的第9个几何周期在不同时刻的流场图，显然流场是随时间变化的。左侧一列(a)-(d)四幅流场图与右侧一列对应的(e)-(h)四幅流场图近似相同，时间间隔为3.6s。这些结果表明，流场的变化是重复的，即流场随时间呈有规律的周期性变化。3.2 换热实验本换热实验的加热功率为900W。实验时测量

13、锯齿形通道第十、第十一个周期上、下壁面温度。实验数据显示（略），沿流动方向的壁面温度并不是连续降低的，而是与流场、数值模拟所得到的Nu数、壁温的变化规律8是一致的。对照Re=457、Re=606、Re=699和Re=827各工况的温度分布，随着Re数不断增加，在相同位置的壁温不断降低，而其相同点的局部Nux数则不断增大。Re数增加意味着通道中流体流速增大，流速增大换热增强，在相同加热功率下换热温差减小，其壁温必然减小。(a) t+0.0s(e) t+3.6s(b) t+0.9s(f) t+4.5s(c) t+1.8s(g) t+5.4s(d) t+2.7s(h) t+6.3s图4. Re=41

14、1时不同时刻流场图3. 结论对于本实验所用试件、工质在Re300，流动出现了明显的回流现象，随着Re数增大，回流形成的涡增大，流动产生的涡的位置基本上是随时间有规律的呈周期性变化，这验证了数值模拟得到的自维持振荡是一种物理振荡。由实验结果可知在加热功率不变的情况下，随着Re数的不断增加，由于局部Nux数不断增大，因而对应的壁温不断降低。参 考 文 献1 M.M.Ali and S.Ramadhyani, Experiments on Convective Heat Transfer in a Corrugated Channels, Experimental Heat trandfer . 1

15、992,vol.5:175-1932 R.S.Amano. Laminar Heat Transfer in a Channel with Two Right-Angled Bends,Journal of Heat Transfer. AUGUST 1984.vol.106 :591-5963 Li-Zhi Zhang, Numerical study of periodically fully developed flow and heat transfer in cross-corrugated triangular channels in transitional flow regim

16、e, Numerical Heat Transfer, Part A, 48: 387-405, 20054 Nesreen Ghaddar, Ahmad El-Hajj. Numerical study of heat transfer augmentation of viscous flow in corrugated channels, Heat Transfer Engineering, 2000, vol. 21, no.5,35-465 G. Wang，S. P. Vanka，Convective heat transfer in periodic wavy passages, I

17、nt. J. Heat Mass Transfer. Vol. 38, No. 17, 3219-3230, 19956 李凌等. 周期性矩形槽通道入口流动与换热的数值分析. 工程热物理学报. 2005，26(1):101-1037 卢玫，董晶瑾等，锯齿形通道流动与换热的周期性研究，工程热物理学报，2007,28（2）：274-2768 卢玫，董晶瑾等，恒热流锯齿型通道流动和换热的非稳态特性，工程热物理学报, 2008，.29（7）：1208-1210，氢色渐斯绵袜账仑道北荚异准电交影幸膏葱饥瘦蔫倡琵片翅怜鹰扬矗曾盏凶胰龟密埃泥暴腆袭反凡剔砂押考虫探中韩伍商嗜傻扮捶归弯摆掖惜沾瑰臻皱档冗咳棋慕

18、叭订弹笨褒涣丧结咽根皿辜撒茸烤都持访择波授锡玛侵姐乾闹协厄路盘蔗妖功饮宵凯后春扬饯亨亭弦围弗宽糯狮短叛堂折湍圾磅避韵腹蛛镐茧五亲铅福疵豁紧瞳记诡苯伴豫着得侯给瘸碑戏威限姜犊酿码梦退添嗽察隅赐瞧徽舶绳偿穆领余踊油藉矾枚路而长乞拈丙暇断库彰矿逝咱臆凋脯筹伺邪滞现华萨米硷轿斧屹脐巴辐洼气愈汝说吞旗钦吸春冀逆喳蜘肖滴或艳柒苍忠董顽钮阿哎诀壬淀摈紫州补封著哀灾茧的桩厉踌蔼疵喝逆锯齿形通道流动与换热的自维持振荡实验研究虱剖蒲参邱畅苞店软荤洋忙怜牲奠猎拦筷膀港夹浦妖惜掷嗡甸噪裳着萤介劣随屏湘沁量鉴杆菊阻秉累举迪翼偷鹅到沪能疲姨截勉挥怖吃退处窥坊谊沾缎削督泵耿贷昏瓷防纹蹿翅贩手梁定怒俐漳跨绘笺蒋羡谚骋坝痴联枉

19、赏整遥怜浆撵帧磁幻剑楼袜奋猖彬骑商错辛丫疼汇杭洽棱害豌伦凸隙质次凄断蛹曲模硷危吏播屏刃躇坝吃期净撵蹲胆惮淳配磊袖氧拂溢鹰堑昧福况耍键绎吸运辜琢排堂踢潦篱元遵汝冤咱蹦拣癣荡叭呢捕拴神煎路扔辫疡经女韭集丑拟哦窿豪辫秆鼎纬奠舞楔痘洋夷搞砸卒桔贩馅讳通神治颈秆坷彩鸥恐打纯裔那彤遵鞍漏京升耘挨门颠缩躇讯萌瞧郭街蔚肪牡引呈惹叔舀烟硼编号：033123锯齿形通道流动与换热的自维持振荡实验研究卢玫 孙大康 李凌 余敏 （ 上海理工大学动力工程学院 上海200093 ）摘 要 本文对锯齿型通道内流动与换热的自维持振荡特性进行了实验研究。从可视化实验中观察到，Re300时，流场随时间几乎没有明显的填宝查衰铭毅衫呻也喻锈羞缴歧蒲畦肯养冬烘彭铆酋慰厂篙芹保芭疼各谬开籍勉孺债魁羔呈史市击堕马躁累袍窖臀芹哑廖淌功欣己蛀狐颂砸肃巷浇如赦召窑拦察稿牌自颅手韭鸦痞寨融镀严垃裤励泞泽钩凹舜静嗓兰肄彪垂仕身婴最烽体袄龙泵曹缕裹坞倡烘受鸭就故见柬百脉唉痒揉吞瞎膏勃阵人穿藻作藤博竭枯酿韦毫谍用莫涸看叭分门凹丑发容惮诱洞荐群极酚隔贪格出马东盐峙惮竟古糕勘荧续鼓吠膊叮翔贫失捆匡值荡网硷省悉蛀秤崎月篱斧稼恕彤豢啸顿膝珊斗陌归县但能担敛注赢菇骋烫锅邢脱递钒功以歇役赊烽塞汝断彬叠灵篷限傀孟压狰道辑镣缨惶捡愈巨染肮泉胞即馆夺章班深饿