基于(火积)耗散极值原理的通道内层流换热流场优化
长期以来对于传热过程的优化主要停留在经验和试验的基础上，缺乏相关理论的指导。近年来，强化传热技术发展迅速，在强化传热的机理研究方面，也取得了诸多突破性的进展，主要的理论有最小熵产原理、场协同原理和火积耗散理论。目前主要在圆管和椭圆管内应用积耗散极值原理求解对流换热优化流场，具有一定的局限性，因而有必要探究其他形状通道中的最优流场及其特性。本文利用数值模拟优化各种类型的管外通道和方形通道，得出满足火积耗散极值原理的最优流场，并对其特性进行分析。
基于传热过程的能量方程推导了可以应用于传热过程的最小火积耗散原理并且数值计算了基于火积耗散极值原理推导得到的对流换热流动优化方程，得到了各种环形通道以及方形通道内的层流换热的优化流场。通过分析可知，环形通道内层流换热和多种方形通道内的层流换热的优化流场都表现为多纵向涡结构。与原型流场相比，优化流场可以在阻力增加较小的前提下极大地提高对流换热效果，说明多纵向涡的流动形态是强化层流换热的一种普遍流动形态。
套管通道内的多纵向涡结构流场可以通过添加扰流片来实现。本文分别在套管内添加顺向、径向和逆向扰流片，分析套管内的层流换热。结果表明扰流片可以在套管通道内形成纵向涡流，纵向涡流动改变了原来的温度场，促进了主流区域流体与壁面附近流体的混合，减薄了换热壁面附近的热边界层，增加了温度梯度，强化了换热效果。扰流片的倾斜方向不仅可以影响所产生的纵向涡的强度、大小，还会影响涡流的方向，所以不同倾斜方向的扰流片具有不同的强化换热效果。在本文研究的Re范围内，逆向扰流片的综合强化换热效果最好。对不同倾角的逆向扰流片的强化换热效果进行研究，结果表明不同倾角的逆向扰流片具有不同的强化换热效果，扰流片的倾角越大，其阻力也就越大，倾角为30°和45°的逆向扰流片的综合强化换热效果较好。
针对交错缩放梯形通道内的层流换热进行数值模拟，结果表明由于交错缩放梯形通道的截面形状的变化，流体在通道内形成二次流，二次流在通道内发展成多纵向涡流，纵向涡的存在促进了壁面附近流体与主流区域流体的混合，减薄了换热壁面附近的热边界层，增加了温度梯度，所以交错缩放梯形通道具有优良的强化换热效果。数值模拟了三种结构参数为10-7、10-5、10-3的交错缩放梯形通道内的层流换热，结果表明在数值计算的Re范围内，10-3交错缩放梯形通道的换热效果最好，说明交错缩放梯形通道的截面形状变化率越大，其换热效果越好。数值模拟了不同缩放周期的交错缩放梯形通道的层流换热，结果表明在数值计算的缩放周期范围内，交错缩放梯形通道的缩放周期越小，通道的阻力越大，但通道的综合强化换热效果越好。
积耗散极值原理;层流换热;流场优化技术;纵向涡;交错缩放;套管通道
山东大学
硕士
工程热物理
田茂诚
2013
中文
TK172;TK124
79
2013-10-30（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）