黏弹性流体脉动流微通道内强化传热特性研究

作     者：詹增坤 

作者单位：中山大学 

学位级别：硕士

导师姓名：林传栋;张红娜

授予年度：2022年

学科分类：080701[工学-工程热物理] 0808[工学-电气工程] 080802[工学-电力系统及其自动化] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：黏弹性流体 脉动流 微通道热沉 强化传热 

摘      要：近年来,微通道热沉作为新型四代堆的电源转换方案之一而备受关注,为满足新型反应堆中高热流密度下的发电需求,微通道热沉的传热效率仍亟需进一步的提升。本文的核心思想是通过引入流动非线性实现在矩形微通道内的流动失稳,诱发流动与热边界层的破坏与再发展,从而实现传热强化。非线性引入的方式包括采用具有非线性流变学特征的黏弹性流体耦合外部脉动流动形式,形成黏弹性流体脉动流。通过耦合具有特征时间尺度（松弛时间与脉动周期）的两种流动技术实现二者的谐振效应,产生更大幅度的扰动,进而显著提升传热效果。基于上述思想,本文开展了数值模拟和实验研究,确定了各类因素对其强化传热效果的影响,并揭示其强化传热机理,具体如下:本文对黏弹性流体脉动流谐振效应的研究结果,既是对已存流动理论的验证,亦是对该流动在传热领域应用的开拓。实验研究中,采用液面高度周期性变化的溢流槽作为流量供给实现脉动压力入口,通过多物理场测量方式获取其流动与传热性能随研究参数变化关系。数值模拟研究采用开源软件Open FOAM进行黏弹性流体脉动流在微通道的流动传热计算,进一步对实验中发现的规律进行扩充完善,建立最大强化传热时的工况参数规律经验关系式,并补充实验研究难以捕捉的流动与温度分布细节。辅以揭示黏弹性流体脉动流微通道内强化传热的机理。在矩形微通道内黏弹性流体脉动流的流动传热特性研究中,实验与模拟均得到了明显的强化传热效果,并且发现存在最优频率,在该频率下具有最佳的强化传热效果。黏弹性流体脉动流强化换热程度随着流动弹性增大而提升,随流动雷诺数（?）增大而下降,且最佳频率随（?）和魏森贝格数（?）增大而减小。最佳频率的存在从侧面说明了黏弹性流体脉动流发生了谐振效应。在实验研究中还发现,黏弹性流体脉动流对微通道内的流动具有显著的增输作用,并且随各参数变化与强化传热效果表现一致。此外,在数值模拟与实验研究中均发现在周期内入口脉动压力为零时,出现了流动反向的“回流现象。这是因为在脉动压力输入为零时,黏弹性流体工质分子松弛过程带动周围工质分子形成的回弹现象。结果表明,回流能够促进流体与加热壁面的二次热交换,从而强化了传热效果。此外谐振效应造成热边界层的破坏,使其一直处于传热未充分发展的状态,减小了流体与热源之间的热阻,促进了传热性能的提升。最后本文将该黏弹性流体脉动流强化传热技术拓展到平行多通道的应用中,并得到了相似的强化传热规律,进而证明了利用黏弹性流体脉动流实现强化传热的可行性,为利用该技术实现新型换热器提供了参考。综上,本文开展了黏弹性流体脉动流在微通道内的流动与传热特性研究,得到并总结了不同工况该参数对其强化传热传质的影响规律,探讨了相应的作用机理,并提出黏弹性流体分子的松弛时间与脉动作用周期间的相互平衡是最根本的控制因素。本文探索的微尺度强化传热技术,为今后黏弹性流体脉动流在传热领域的应用奠定了基础并具有指导性意义。