自然对流强化换热

自然对流强化换热
班级：14040203
姓名：吴端
学号：2011040402121
1.概述
当前，对于自然对流换热问题的研究没有强迫对流研究那样开展得广泛。

一方面是由于自然对流强化效果没有强迫对流换热强化效果好；另一方面是由于自然对流强化的途径少难度大，所以自然对流的研究进展缓慢。

但自然对流应用有自己的领域，强迫对流又有其制约因素，尤其是随着电子集成电路的发展，自然对流强化换热的问题越来越受到学者的关注。

利用振动强化单相流体对流换热的方法可分为两种：一种是使换热面振动以强化换热；另一种是使流体脉动或振动以强化换热。

研究表明，不管是换热面振动还是流体振动，对单相流体的自然对流和强制对流换热都是有强化作用的。

振动可以增大流体间的扰动，干扰附面层的形成和发展，从而减小换热热阻，达到强化换热的目的。

2.原理
利用振动可以强化传热早已为人们所认识，在1923年就有关于在静止流体中振动换热面以增强传热效果的相关研究。

早期研究的主要手段为传热实验，随着数值计算方法及计算机技术的发展，自80年代人们开始对振动对流换热问题进行数值分析。

研究结果表明，换热面在流体中振动时，根据振动系统的不同，自然对流换热系数可提高30%~2000%。

传热实验中，采用的振动源形式主要有以下几种：
1)机械振动或电动机驱动偏心装置产生，早期的实验均采用该方法；
2)流体绕流诱导传热元件产生，如在换热器中的管束：
3)超声波激励换热元件产生。

下面分别就这三个方面分别展开综述，其中，A表示振幅，厂表示振动频率，D表示管直径，U表示来流速度，尺P表示雷诺数，h表示表面传热系数。

机械振动为传热实验中最为常用的振动源，一般情况下，机械振动装置结构简单，并且能够比较方便调节振幅、频率等参数，这对于深入研究振动参数对传热的影响具有不可替代的作用。

表1．2、1．3分别为自然对流、强制对流条件下振动传热研究概况，表中
可以看出，振动传热的效果随着实验介质流动状态变化而存在显著差别。

一般情况下，随着流动船数的增加，振动强化传热的效果会逐渐减弱。

此外，流体介质自身的属性也会对振动强化传热的效果产生一定的影响，如同等条件下水的振动传热效果要优于水状甘油。

与其它的强化传热技术相比，振动强化传热的效果比较显著，但是换热表面振动通常是应用机械振动或电机带动的偏心装置来实现的。

这些装置的运行需要消耗能量。

上世纪九十年代以后流体诱导振动强化传热技术逐渐成为学界的研究热点
流体诱导传热元件振动是换热装置内普遍存在的现象，其形成机理较为复杂。

目前提出的横向流机理主要包括漩涡脱落(Vertex shedding)、紊流颤振(Turbulentbuffeting)、流体弹性激振(Fluid elastic excitation)、声激励(Acoustic excitation)等。

程林、田茂诚提出了一种新型的传热元件——弹性管束，其具体结构及所开发的弹性管束换热器如图1．1所示。

该传热元件能够利用有限振动使能量不断的耗散，避免了强烈振动所造成的元件的损坏；同时，利用振动改变传热表面的
流动工况，增加壁面流体的湍流度，减薄边界层，实现强化传热。

对弹性管束进行传热实验研究，得到低RP数下管外Nu的拟合关联式为：
上式的适用范围为100<Re<500，实验结果表明：在管外流体诱导振动条件下，弹性管束的强化传热效果显著；并且振动还可以防止换热表面污垢的产生，降低了传热热阻，从而实现了复合强化传热。

其强化传热的机理具体分析为:
(1)振动使得近壁区流体的流速加大。

流速增加使得层流附面层的厚度减小，层流向紊流过渡的转捩点提前。

(2)振动增加了管束近壁区的流体湍流度。

由于湍流度增加，使得近壁区流体与远壁区流体质量、动量和能量交换速度增加，从而强化对流换热。

(3)振动使绕流管束流场结构发生改变。

当定常流绕流固定的圆管时，其管外流场结构是稳定的。

但在振动条件下，附面层的厚度、层流与紊流的转换点、漩涡脱落点及漩涡大小、位置等都是不稳定的，流场结构的变化不可避免地引起传
热的改变。

Go、Kim等提出了一种新型的微翅散热器，具体结构如图1．2所示，当空气横掠过微翅表面时，微翅会在气流的作用下产生流体诱导振动，振动会对其周围的边界层形成强烈的扰动，使其处于不停的生成与再造的循环中，如此降低了微翅表面的传热热阻，加大了热量的传输速率，实现了电子元件的安全持久运行。

Yakut、Sahin等在换热管内放置锥形环，当流体在管内流动时，锥形环会在流体的作用下产生随机振动，破坏了管内的传热边界层，因而其传热效率会有一个较大的提升。

Yakut对该传热元件进行传热实验研究，式(1-2)为实验参数范围内的传热拟合关联式：
1-2
式中，f表示锥形环间距，mm；D表示实验换热管的直径，mm。

实验结果表明：强化传热的效果随着锥形环间距的增加而逐渐降低，在相同泵功情况下，锥形环间距为10mm的换热管的传热效率可提高250％；并且低Re 数的强化传热效果要优于高Re数。

此外，声激励尤其是超声波诱导流体振动强化传热也为当前研究的热点方向之一。

3.应用
内燃机工作过程中，燃烧产生的热能一部分传给燃烧室部件，传给燃烧室部件中的热能有一半以上传给活塞，由于内燃机热负荷不断提高，必须要对活塞进行有效冷却。

当活塞功率密度超过０．３ｋＷ／ｃｍ２时，必须采用冷却油腔进行冷却。

通过研究纳米流体随活塞大幅振动下圆管内的传热特性来模拟冷却油腔内的传热特性，即该研究是活塞冷却油腔内传热特性的基础性研究。

对换热腔施加随活塞同步振动后，传热强化与振动频率成正比、与雷诺数成反比；用纳米流体代替传统流体后传热效果大大增强，同时还发现纳米流体种类对强化效果影响显著。

4.参考文献
[1] 孟恒辉，吴宏.振动表面自然对流强化换热的研究.北京北京航空航天大学学报:2008 Vol. 34 (03): 307-310
[2] 姜波.振动强化传热机理分析及新型振动传热元件实验研究.山东。