915-高粘度流体在波纹板通道内的流动模型与在线粘度计黏度-波纹壁面-摄动展开-模拟).pdfVIP

No．6 第6卷第6期 过程工程学报 Vbl．6 2006年12月 TbeChineseJo啪alofProcess Dcc．2006 Engilleering 高粘度流体在波纹板通道内的流动模型 师晋生 (天津科技大学机械工程学院，天津300222) 摘要：对高粘度流体在波纹板通道内的流动进行了分析，对控制微分方程及边界条件作无量纲处理，引入流函数， 采用摄动展开建立了近似分析模型，得到了流函数、速度及压力沿轴向变化的解析表达式，讨论了壁面波纹的波幅及 波长对流动的影响，并根据比拟理论分析了波纹通道对传热的影响． 关键词：高粘度；波纹壁面；流动；摄动展开；模拟 中图分类号：TKl2l 文献标识码：A 文章编号：1009—606x(2006)06一0884一05 1 前言 的分析解，对此情况下的传热应用比拟方法提出了一个 简化表达式． 换热器是动力、化工、石油、能源、食品及制药等 行业的重要通用设备．在现代化学工业中，各种换热器 2波纹通道层流模型 的投资大约占设备总投资的30％一40％．由于换热设备 高粘度流体在压差作用下在水平放置的2块波纹 量大面广，其传热过程的优劣对能源的有效利用关系极 板间流动，2块平行板呈正弦形，研究对象及坐标系如 大，因而促进强化传热的研究一直倍受关注．而强化传 图1所示．假定研究对象距入口足够远，此时，入口影 热元件的研究是新型高效换热设备设计制造的基础[啦]． 响可忽略不计，流体的流速及压差只随壁面的扰动作周 在强化传热的研究中，各种机械加工或化学处理的传热 期性变化． 表面得到了广泛应用，波纹壁面就是其中的一种，它已 在紧凑式换热器、液膜式蒸发器、电子元器件的冷却中 得到应用[3_51．流体在波纹通道的流动中，由于波纹板周 期性波峰与波谷的存在，使板内流体扰动明显增大，从 而促进流体的传热传质．因为流动的增强是传热传质得 以强化的前提，因此，要了解波纹板强化传热的特性， 图l波纹板通道 duct 首先就要了解流体在波纹板内的流动．目前，有关这一 Fig．1WhVyplate 问题的理论研究还很少． 假定流体为牛顿型常物性高粘度介质，因而雷诺数 文献[6]用有限元方法对烟气在波纹板通道内的湍 很小，处于层流区域；壁面正弦形波纹的周期长为三， 流流动与传热进行了计算，文献[7]对波纹管内空气在紊 波幅为4，通道平均高度为2日，波幅与流道高度相比 流状态下的流阻与传热特性进行了实验研究，文献[8] 为一小量． 对波纹板通道内层流状态的水的流动进行了数值模拟． 2．1流动基本方程 这些研究都说明波纹式通道会增大流动阻力，可强化传 用p，．“，v和g表示流体的密度、动力粘度、运动粘 热，但均未能以显性形式直观地揭示波纹表面波幅和波 度和重力加速度，用甜，v表示在x和y方向的速度，p 长对流动或传热的影响规律．本工作对此类问题的一种 表示压力，则流动的基本方程为直角坐标系的二维 特殊情况即高粘度流动进行分析，求出了分析解，对增 Navier—stokes方程： 进这类问题研究的完整性具有重要意义．