多尺度柱群繞流換熱強化機理研究.pdf

1、柱體繞流換熱尤其是圓柱結構，被廣泛地應用在如換熱器、冷卻塔、發(fā)電機等工程實踐中，應運而生的強化換熱技術發(fā)展十分活躍。由于多尺度的結構可以獲得更大的換熱面積，同時系統(tǒng)的阻力上升在可接受的范圍內，近些年來，多尺度結構在強化換熱領域倍受青睞，但是對其流動和換熱規(guī)律的研究仍然比較缺乏。根據這一思想，本文針對層流流動，建立了雙尺度串列圓柱和多尺度分形柱群模型，對其繞流換熱問題進行了詳細的數(shù)值模擬分析，并與均勻管束進行了比較。
　　對于雙尺度

2、串列圓柱結構，詳細研究了直徑比和間距比等幾何配置參數(shù)對流動和換熱的影響。研究表明，兩圓柱之間的間隙流動形態(tài)會對流動阻力和換熱造成重要影響。當小圓柱前置時，間隙流動形態(tài)分為對稱渦、交替渦和尾流撞擊三種模式。小圓柱后置時，在小直徑比（0.2~0.5）下，圓柱尾跡的流動結構只存在延伸體和尾流撞擊兩種模式。而在較大的直徑比（0.8~1）下，間隙流動形態(tài)與小圓柱前置時類似?？傮w來說，流動形態(tài)的轉變都發(fā)生在間距比為2和3.5之間。繼續(xù)增大間距比，流

3、動就趨于穩(wěn)定。數(shù)據顯示，在尾流撞擊模式下使用不等直徑的圓柱系統(tǒng)可以帶來系統(tǒng)平均換熱系數(shù)的增加，同時系統(tǒng)阻力會減小或者略有增加。另外，間距比大于4時，系統(tǒng)換熱系數(shù)和阻力系數(shù)隨間距的改變變化很小。
　　在雙尺度的基礎上，詳細研究了多尺度分形柱群結構和均勻圓柱群內的流動換熱，并做了比較分析。研究表明：在分形結構中，流體流動流線呈現(xiàn)彎曲和自相似的特征。分形圓柱群與方柱群的系統(tǒng)努謝爾數(shù)隨雷諾數(shù)的變化趨勢基本類似，但是分形圓柱群換熱性能較好，

4、流動阻力也相對較小。文章最后將分形柱群系統(tǒng)努謝爾數(shù)擬合為雷諾數(shù)的冪函數(shù)，結果顯示，隨著分形柱群級數(shù)增加，雷諾數(shù)的指數(shù)逐漸增大。四級分形柱群的努謝爾數(shù)與雷諾數(shù)近似成線性關系。另外，第三級和第四級結構的關聯(lián)式中，雷諾數(shù)的指數(shù)較為接近，這一結果表明：對于分形柱群繞流系統(tǒng)，在三級以后，繼續(xù)增大級數(shù)來增加換熱面積并不能帶來更顯著的換熱效果。與分形柱群相比，均勻柱群系統(tǒng)流動阻力較小，而換熱性能下降。
　　本文對不同尺度的換熱過程進行了系統(tǒng)的研