Helmholtz共振腔脈動流體強化換熱的試驗研究

高虹，劉娟芳
（重慶大學(xué)動力工程學(xué)院，重慶400044）

    摘要：采用試驗研究的方法研究了流體力學(xué)不穩(wěn)定性對強化換熱的影響。水流經(jīng)Helmholtz共振腔時被轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動流體，脈動的水經(jīng)單管換熱器時被加熱，測量不同條件下加裝共振腔和不加共振腔時的換熱系數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，加裝了Helmholtz共振腔時換熱系數(shù)明顯提高約10%～40%。
    關(guān)鍵詞：Helmoholtz共振腔；強化換熱；自激振蕩
    中圖分類號：TK12文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1001-5523(2009)02-0018-04
    1·引言
    當(dāng)今世界能源危機日益加劇，強化換熱成為學(xué)者們研究的熱點問題，流體脈動對強化換熱的影響也引起人們極大的關(guān)注。一般認(rèn)為流體脈動可以破壞熱邊界層，進(jìn)而改變熱阻以達(dá)到強化換熱的目的。能夠使流體產(chǎn)生脈動的措施有很多，如利用往復(fù)泵、穩(wěn)流泵加裝機械脈動部件等。本課題的創(chuàng)新之處在于設(shè)計制造了可以靈活改變結(jié)構(gòu)的Helmholtz共振腔，并用于強化換熱。由于腔體特殊的結(jié)構(gòu)，利用流體動力學(xué)不穩(wěn)定性，在不外加動力的情況下就可以使通過腔室的連續(xù)流體產(chǎn)生脈動，并且可以通過改變腔體結(jié)構(gòu)來達(dá)到調(diào)節(jié)脈動特性參數(shù)的目的。
    2·共振腔設(shè)計
    當(dāng)一定參數(shù)的流體流過Helmholtz共振腔，流束中不穩(wěn)定擾動波在穿過腔室剪切層時，由于剪切層是不穩(wěn)定的，剪切層對擾動波有選擇放大作用，形成渦環(huán)結(jié)構(gòu)。剪切流動中渦環(huán)與下游碰撞壁撞擊在碰撞區(qū)產(chǎn)生壓力擾動波并向上游反射，在上游剪切層分離處誘發(fā)新的擾動產(chǎn)生，當(dāng)新擾動與原擾動頻率匹配且具有合適的相位關(guān)系時射流上游就不斷地周期性激勵，其固有波形受到調(diào)制，Helmholtz共振腔內(nèi)就產(chǎn)生流體自激振動并在下噴嘴出口形成脈沖射流[1~3]。這種具有一定頻率脈動流導(dǎo)致壁面處旋渦的大量產(chǎn)生，從而增加了流體的摻混，破壞換熱器的流動邊界層的發(fā)展，保證壁面處始終處于較好的傳熱溫差狀態(tài)，從而強化換熱[4]。本課題運用流體網(wǎng)絡(luò)的水電比擬理論的相關(guān)知識，采用等效電路對Helmholtz共振腔進(jìn)行簡化，推導(dǎo)出共振腔固有頻率的計算公式，然后討論共振腔發(fā)生諧振的條件，最后設(shè)計了共振腔。 
    根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[5]，我們設(shè)計共振腔的簡圖，并將其簡化為等效線路，見圖1。
              
    根據(jù)水電比擬的流體網(wǎng)絡(luò)理論，在Helmholtz共振腔的進(jìn)口和出口，由于流體速度很高，所以應(yīng)該同時考慮出現(xiàn)流阻和流感，因而在等效線路圖中，有兩個不同的流阻和兩個不同的流感。由對應(yīng)的等效線路圖，可以列出流量和壓力的關(guān)系方程如下：
              
    由上述求解方法可以看出，Helmholtz共振腔的固有頻率完全由腔室本身的有關(guān)參數(shù)決定，它是Helmholtz共振腔固有的性質(zhì)，只有在外加作用力的頻率與Helmholtz共振腔的固有頻率相等或成整數(shù)倍時，諧振才能發(fā)生。因此在實際應(yīng)用中可以根據(jù)使用條件，采取改變參數(shù)L和C或改變外加作用力的頻率方法使Helmholtz共振腔在其固有頻率下產(chǎn)生諧振。
    根據(jù)這個思路，我們將Helmholtz共振腔設(shè)計如圖2所示。共振腔主要包括前噴嘴、腔室、后噴嘴、碰撞壁四部分。前噴嘴采用普通的漸縮噴嘴，后噴嘴為直管噴嘴，碰撞壁為截錐面形。
                    
    3·自激振蕩脈沖射流強化傳熱實驗
                      
    為了驗證Helmholtz共振腔產(chǎn)生的自激振蕩脈沖射流是否可以產(chǎn)生強化傳熱，我們搭建了實驗臺進(jìn)行實驗（圖3）。
    實驗在一長2 m、Ф12×15的換熱器上進(jìn)行，采用電加熱方式，加熱功率為10 kW。在換熱器管壁上布置8對熱電偶，以測量管壁溫度；在穩(wěn)流段以前及換熱器后布置熱電偶各1對，分別測量流體進(jìn)出口溫度；保溫層外布置2對熱電偶測量保溫層外表面溫度。
    實驗中，共振腔的尺寸為：d1＝5 mm，d2＝6 mm，d＝40 mm，共振腔后噴嘴長度為：12 mm、17 mm、18 mm、23 mm、25 mm，腔室長度為：10 mm、11 mm、12 mm、13 mm、14 mm。通過測量流體進(jìn)出口溫差、流量求得換熱量，并得到換熱系數(shù)h和強化比E：
    E=h/h0(6)
    其中E為換熱系數(shù)強化比；h為有共振腔時的換熱系數(shù)；h0為沒有共振腔時的換熱系數(shù)。
    4·結(jié)果及分析
    實驗在保證流體流速基本穩(wěn)定的情況下進(jìn)行，實驗中的流速范圍是5～7.5 m/s；換熱器的加熱功率為3 028 W、4 378 W、5 288 kW；共振腔前后的壓差為0.425 MPa、0.375 MPa、0.35 MPa、0.31 MPa、0.29 MPa；流量為0.466 kg/s、0.43 kg/s、0.41 kg/s、0.38 kg/s、0.36 kg/s。實驗在不同工況下交叉重復(fù)進(jìn)行，求出不同加熱功率和流量條件下的傳熱系數(shù)h及強化比E。
    4.1強化比E與流量及壓差的關(guān)系
    本實驗中通過調(diào)節(jié)壓力表后的閥門來調(diào)節(jié)共振腔前后的流量及壓差。強化比與流量的關(guān)系以及流量與壓差的關(guān)系如圖4，5所示。從圖中可以看出：
               
    ①在合適的水力參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)的配合下，Helmholtz共振腔產(chǎn)生的脈動流將明顯地強化換熱。這是由于隨著流量的增大，流體動量隨之增大，此時產(chǎn)生的脈動比較強烈，破壞了流動邊界層，降低了熱阻，從而強化了換熱。本實驗中的強化比范圍是1.01～1.74，比較穩(wěn)定的強化比是1.1～1.4。
    ②由于壓差與流量呈正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)壓差增大時，將產(chǎn)生更為強烈的脈動流，從而明顯地提高流體的紊流程度，強化管內(nèi)流動換熱，故較高壓差時的強化比大于較低壓差的強化比。
    ③在流量及壓差較小時，使用共振腔時不一定能起到強化換熱的作用。原因是：在較小的流量及壓差下，射入共振腔的流體動量較小，不足以形成反饋放大的自激振蕩現(xiàn)象，并沒有形成脈動流或脈動現(xiàn)象比較微弱，不能引起換熱段流體的強烈擾動，所以不能強化換熱。
    4.2強化比E與后噴嘴長度的關(guān)系
    為了分析Helmholtz共振腔后噴嘴長度對強化換熱的影響，保持流量和腔室長度不變，通過加裝不同的芯子改變后噴嘴長度，調(diào)節(jié)范圍是12～25 mm。強化比E和后噴嘴長度的關(guān)系如圖5所示。
              
    從圖5中可以看出，隨著共振腔后噴嘴長度的增加，強化比的變化比較明顯，對于一定的共振腔，存在最優(yōu)的后噴嘴長度。如：當(dāng)流量=0.466 kg/s，共振腔后噴嘴在18~23 mm時有利于強化換熱。
    4.3強化比與腔室長度的關(guān)系
    為了分析Helmholtz共振腔腔室長度對強化換熱的影響，保持后噴嘴長度不變，通過加裝不同厚度的墊片改變腔室長度，測得強化比，如圖6所示。
              
    從圖6中可以看出：腔室長度會影響強化比，隨著腔室長度地增加，強化比呈現(xiàn)上下波動。當(dāng)腔室長度為11 mm和13 mm左右時，強化比最??；當(dāng)腔室長度為12 mm時，強化比最大。
    5·壓力損失
              
    圖7為壓差隨流量的變化。隨著流量的增大，壓差隨之增大。因此，隨著壓差或流量的增加，都將增大流體的脈動程度，達(dá)到更佳的換熱效果。但是加裝了Helmholtz共振腔時的壓降總是略大于無共振腔時的壓降。也就是說，流體流過共振腔時有壓力損失，將Helmholtz共振腔應(yīng)用于實際換熱器時會增加動力投資。但是，相對于換熱系數(shù)的提高，這部分損失是可以接受的。
    6·結(jié)論
    （1）對于本課題設(shè)計的共振腔，只要配合以適當(dāng)?shù)乃?shù)，就可以產(chǎn)生自激振蕩脈沖射流。
    （2）將共振腔產(chǎn)生的自激振蕩脈沖射流引入換熱器后，當(dāng)自激振蕩的強度達(dá)到一定程度后，可以強化換熱。只要選定合適的水力參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，共振腔可以將管內(nèi)流動換熱系數(shù)提高10%～40%。
    （3）共振腔的結(jié)構(gòu)變化會影響流體的脈動頻率和幅值，從而影響脈動流的強化換熱效果。
    （4）共振腔不是在所有的工況下都可以強化換熱的。當(dāng)壓差及流量小至一定程度時，使用共振腔還可能弱化換熱。
參考文獻(xiàn)：
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