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波壁管内的脉动流动及其传质特性的实验和数值模拟

作　者: 贾宝菊
导　师: 徐新生；卞永宁
学　校: 大连理工大学
专　业: 流体力学
关键词: 波壁管脉动流场反向流动电化学技术质量传递强化
分类号: TK124
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

随着科学技术的进步,现代工业得到飞速发展,同时人们也面临着越来越严重的能源短缺和环境污染问题。如何降低工业装备的能量消耗、在现有基础上进一步提高热量质量传递设备的效率、进而减轻对环境的不良影响十分重要。另外,随着大量高粘度、具有生物活性的流体介质越来越多地出现在生物化工、制药以及生命医学等领域,也亟待找到一种在低剪切层流条件下的热质传递强化技术。提高传递设备的效率和促使设备单元的小型化与微型化,采用脉动流动技术是实现质量传递过程强化的重要途径。由于目前尚未搜索到有关伴随反向流的脉动流动对传质强化影响的研究报导,因此本文以波壁管为研究对象,采用电化学技术完成了波壁管内不同控制参数下的质量传递速率测量,并提出了伴有反向流的脉动流动的质量传递强化机理;采用铝粉法流动可视化技术与定时刻拍照技术相结合的手段完成了对伴随反向流的脉动流动的流动结构观察,研究了不稳定流动对传质强化的影响;利用FLUENT软件及其二次开发接口,对一些实验测量不能观测的物理量进行了数值分析,为研究波壁管的传质性能提供了一种新思路。为了观测波壁管内伴随反向流的脉动流动特性,设计加工并组建了波壁管、脉动装置和可视化及图片记录系统装置等以满足研究需要。通过测量定常流场下的流体力学性能,得到了波壁管内不同流动状态的临界雷诺数等标志量;等功耗条件下波壁管与直壁圆管的比较结果表明,当流动进入过渡流流域后,波壁管具有更好的质量传递性能。系统研究了控制参数对伴有反向流的脉动流场下的质量传递强化的影响,并发现,在一定的脉动流振动分率范围内,质量传递强化效果随振动分率的增加而增强;最有效的质量传递强化发生在净流动进入过渡流流域之前的中等雷诺数下;与最大传递强化效果对应的最佳振动频率随净流动雷诺数的增加而减小,且几乎与流量的振动分率无关。据此提出了伴随反向流的脉动流场下的质量传递强化机理,即当入口速度和波长的比值接近脉动振动频率时会产生最有效的质量传递强化效果,并据此得到了确定最佳操作条件的依据和方法。为建立传质强化与不稳定流动之间的联系,对伴有反向流的脉动流动进行了可视化研究,结果发现,一个脉动周期内同时存在稳定和不稳定两种流动现象,而不稳定流动状态持续的时间越长,无序混合越强烈,对应的质量传递强化效果就越好。这表明不稳定的流动结构对质量传递强化的贡献最大。作为实验研究的验证和补充,数值模拟给出了系列分析结果。数值结果不仅与现有的实验结果吻合,同时说明了数值结果和实验结果的合理性,而且得到了实验测量很难观测的物理量,如流动分离、涡强度、浓度分布等。结果发现,脉动流动比定常流动更早发生流动分离;涡强峰值总是出现在惯性控制的中等振动频率下;浓度边界层的分布与质量传递强化过程相对应。研究结果表明,脉动流动技术是实现传质强化的有效手段之一,同时涡强度与浓度分布均可反映质量传递过程,为探究其它管内的传递性能提供了新思路和新方法。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-12
1 绪论  12-32
  1.1 工程背景和选题依据  12-14
  1.2 各种流路内的流体流动特性及传递特性研究  14-30
    1.2.1 二维流路内的流体流动及传递特性  15-25
    1.2.2 三维流路内的流体流动及传递特性  25-30
  1.3 本文的主要研究内容  30-32
    1.3.1 研究方法  30-31
    1.3.2 研究内容  31-32
2 实验研究方法及实验设备开发  32-48
  2.1 流体力学及传递学实验原理  32-34
    2.1.1 流体力学能量守恒方程  32-33
    2.1.2 边界层效应  33-34
  2.2 电化学技术的测量原理及方法  34-39
    2.2.1 工作流体的配制  35
    2.2.2 质量传递速率测量原理  35-37
    2.2.3 壁面剪切应力测量原理  37-39
  2.3 电化学测量系统  39-40
    2.3.1 质量传递速率测量系统  39
    2.3.2 壁面剪切应力测量系统  39-40
  2.4 实验装置和系统的设计  40-42
  2.5 定常流场的实验研究装置  42-44
    2.5.1 定常流场的实验研究流程  42-43
    2.5.2 波壁管的几何尺寸  43-44
  2.6 脉动流场的实验研究装置  44
  2.7 沿程阻力测量系统  44-45
  2.8 流动可视化测量系统  45-47
    2.8.1 流动可视化拍摄系统  45-46
    2.8.2 脉动流动定时刻可视化技术  46-47
  2.9 小结  47-48
3 波壁管内质量传递性能的实验研究  48-78
  3.1 参数定义  48-50
    3.1.1 定常流场下的参数定义  48
    3.1.2 脉动流场下的参数定义  48-50
  3.2 转子流量计的标定  50-52
  3.3 定常流场下流动特性及传递特性的实验研究  52-59
    3.3.1 沿程阻力  52-53
    3.3.2 质量传递性能  53-55
    3.3.3 壁面剪切应力  55-57
    3.3.4 等功耗条件下三维管内质量传递强化的比较  57-59
  3.4 脉动流场下质量传递强化的实验研究  59-67
    3.4.1 活塞泵冲程的测量  59-60
    3.4.2 脉动频率的标定  60-61
    3.4.3 主要控制参数对质量传递强化的影响  61-67
  3.5 脉动流场下质量传递强化机理的分析  67-70
    3.5.1 最佳St数与振动分率P之间的关系  67
    3.5.2 最佳St数与净流动雷诺数Re之间的关系  67
    3.5.3 波壁管内伴随反向流的脉动流场下的质量传递强化机理分析  67-70
  3.6 脉动流场下的冲程对质量传递强化的影响  70-72
  3.7 实验数据的误差分析  72-76
    3.7.1 参数定义  72-73
    3.7.2 不同雷诺数下Sh数的误差分析  73-76
  3.8 小结  76-78
4 波壁管内传质过程中的流动结构及现象  78-111
  4.1 波壁管内流动的入口效应  78-80
  4.2 定常流场下的流动结构对传质速率的影响  80-86
    4.2.1 层流及湍流的流动特点  80-81
    4.2.2 稳定流动结构与不稳定流动结构  81-82
    4.2.3 定常流场下过渡流的流动结构对传质速率的影响  82-86
  4.3 振动流场下的流动结构  86-88
  4.4 脉动流场下的流动结构对传质强化的影响  88-109
    4.4.1 不同净流动雷诺数Re下的流动结构对传质强化的影响  88-104
    4.4.2 不同振动分率P下的流动结构对传质强化的影响  104-109
    4.4.3 不同振动频率St下的流动结构对传质强化的影响  109
  4.5 小结  109-111
5 波壁管内的脉动流动及传质强化的数值模拟  111-135
  5.1 物理模型  111-113
  5.2 数值计算模型  113-118
    5.2.1 计算控制方程  113-114
    5.2.2 控制方程无量纲化  114-115
    5.2.3 边界条件  115-116
    5.2.4 网格生成和求解策略  116-118
  5.3 模型验证  118
  5.4 定常流场及脉动流场下的流动分离  118-122
  5.5 脉动层流内的涡强度计算分析  122-125
    5.5.1 Re=50,P=1.0时的涡强  122-123
    5.5.2 Re=100,P=1.0时的涡强  123-125
    5.5.3 Re=152,P=1.0时的涡强  125
  5.6 脉动层流内的脉动流线计算分析  125-128
    5.6.1 Re=50,P=1.0时的脉动流线  125
    5.6.2 Re=100,P=1.0时的脉动流线  125-127
    5.6.3 Re=152,P=1.0时的脉动流线  127-128
  5.7 传质速率及浓度分布的计算分析  128-133
    5.7.1 Re=152,P=1.0时的质量传递速率  128-130
    5.7.2 Re=152,P=1.0时,不同St数下的浓度分布  130-133
  5.8 小结  133-135
结论  135-137
展望  137-138
参考文献  138-145
创新点摘要  145-146
附录A 实验数据的误差分析  146-150
  A.1 Re=171时Sh数的误差分析  146-148
  A.2 Re=242时Sh数的误差分析  148-150
附录B 符号说明  150-152
附录C 主要实验仪器  152-153
附录D UDS附加子程序  153-156
攻读博士学位期间发表学术论文情况  156-157
致谢  157-158
作者简介  158-159

波壁管内的脉动流动及其传质特性的实验和数值模拟

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