基于激光剪切干涉的管及管束自然对流换热研究

论文摘要

管及管束的自然对流换热作为一种广泛存在于实际工程应用中的自然现象,对其换热规律的探讨一直吸引着诸多学者。横向大剪切干涉作为一种输出条纹简单,抗干扰能力强的激光干涉测量手段,已被广泛应用于温度场的检测之中。计算机技术和数值算法的飞速发展促进了计算流体力学的进步,采用数值模拟对流体换热进行预测已成为当前换热研究中不可或缺的一部分。本文拟采用这两种研究手段对单根椭圆管、三根椭圆管构成的椭圆管束、单根圆管、水平双圆管的自然对流换热情况进行分析。对单根椭圆管的自然对流换热研究,选用数值模拟的方式,考虑了无限大空间和受限空间两种结构,探究了椭圆管在不同偏转角度下的换热差异,结果表明,无限大空间的椭圆管,其局部换热系数的最大值总是位于椭圆管长轴远离羽状流侧,最小值总是位于羽状流附近;有限空间中的椭圆管,其局部换热系数的最大值随着Ra的增大显著增大,而最小值则基本不变。对椭圆管束的自然对流换热研究,选用数值模拟的方式,考虑了受限空间中,上壁面距最上方管的距离、管间距、椭圆管短长轴之比对系统换热的影响,结果表明,最上方管受上壁面的影响最大且存在一个最大影响距离;管间距较小时阻挡作用占主要因素,随着管间距增大,直接与羽状流接触的管壁面Nu有着显著增加;降低椭圆管短长轴之比能增大其换热,当短长轴之比小于0.25后系统的换热情况不再发生明显变化。对单根圆管的自然对流换热研究,选用横向大剪切干涉测量,得到了圆管在Ra=2.4×10~4~1.2×10~5范围内的干涉条纹,通过数据反演得到了此Ra范围内,圆管沿圆周各个方向的局部Nu和整体的平均Nu。实验结果与诸多已有结果进行了对比,扩宽了以往实验研究结果中Ra的取值范围,为大瑞利数下圆管的自然对流换热提供了实验参考。对水平双圆管的自然对流换热研究,选用横向大剪切干涉测量,得到了Ra=10~3~10~4范围内,水平管间距S/D=1.3、1.8、2.7下的剪切干涉条纹。计算了不同情况下圆管的局部Nu和平均Nu,并采用数值模拟对结果进行了对比分析,研究了两根圆管在不同管间距下彼此间的相互影响。综上,以期为管式结构的换热研究奠定理论基础,为工程应用提供参考依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
•   1.1 课题来源及意义
•   1.2 管及管束自然对流换热的主要研究方法
•   1.3 管式结构自然对流的研究现状
•     1.3.1 单圆管的自然对流研究现状
•     1.3.2 圆管束的自然对流研究现状
•     1.3.3 椭圆管及管束的自然对流研究现状
•     1.3.4 方形管的自然对流研究现状
•     1.3.5 管及管束中增加受限结构的自然对流研究现状
•   1.4 本文主要研究内容
• 第2章 研究原理
•   2.1 数值模拟原理
•     2.1.1 计算流体力学的求解流程与Fluent软件
•     2.1.2 计算流体力学的基本方程
•     2.1.3 计算流体力学的数值解法
•   2.2 激光横向大剪切干涉测量原理
•     2.2.1 折射率与干涉成像
•     2.2.2 横向大剪切干涉技术
• 第3章 椭圆管在不同偏转角度下自然对流换热数值模拟研究
•   3.1 前言
•   3.2 数值模型
•   3.3 网格无关解验证
•   3.4 计算结果及分析
•     3.4.1 无限大空间中不同偏转角度的椭圆管换热
•     3.4.2 有限空间中不同偏转角的椭圆管换热
•   3.5 本章小结
• 第4章 受限空间中竖排椭圆管束自然对流换热数值模拟研究
•   4.1 前言
•   4.2 数值模型
•   4.3 网格无关解验证
•   4.4 计算结果及分析
• 1）的影响'>    4.4.1 上壁面距最上方管距离（S₁）的影响
• 0）的影响'>    4.4.2 管间距（S₀）的影响
•     4.4.3 椭圆管短长轴比（AR）的影响
•   4.5 本章小结
• 第5章 基于激光横向大剪切干涉的管及管束自然对流换热实验研究
•   5.1 前言
•   5.2 实验装置
•   5.3 单圆管自然对流换热的结果与分析
•     5.3.1 干涉条纹分析
•     5.3.2 条纹识别与温度场的反演
•     5.3.3 换热分析
•   5.4 水平双圆管自然对流换热的结果与分析
•     5.4.1 实验准确性分析
•     5.4.2 横向大剪切干涉对水平双圆管的测量分析
•   5.5 本章小结
• 第6章 总结与展望
•   6.1 全文总结
•   6.2 后续工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 攻读硕士学位期间的科研成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 贺兆辉

导师: 朱进容

关键词: 自然对流,横向大剪切干涉,数值模拟,圆管,椭圆管

来源: 湖北工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 力学,物理学,无线电电子学

单位: 湖北工业大学

分类号: O35;TN24

总页数: 68

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