自激振荡脉动强化传热数值模拟及其优化设计_汪朝晖,高全杰_9787577209258

本书主要介绍了基于自激振荡的脉动强化传热数学建模、数值模拟及相关优化设计三个方面的内容，详细介绍了LES方法及其控制方程，同时定义了相关的流动和传热计算参数，建立了自激振荡热流道三维计算模型。对模型进行了结构化网格划分并介绍了边界条件设置；此外，为保证数值计算结果的可行性，分别对网格无关性进行了检验并验证了湍流模型的适用性。在验证模型精确度的基础上对自激振荡涡的结构特性、自激振荡脉冲效应的流场流动特性以及自激振荡脉动强化传热性能进行相关数值模拟及仿真分析，并对自激振荡腔室的减阻特性、腔室的无量纲结构、纳米流体流道结构参数以及自激振荡腔室壁面进行优化改进。

脉动强化传热技术作为改善传热性能的重要研究手段，在能源的开发、高效利用及节约方面扮演着关键角色。脉动流，特指流动状态及其特征参数随时间发生周期性变化的流体，主要包括两种类型：一种是脉动流（pulsating flow 或 pulsatile flow），其特征是流体的平均速度在一个周期内不为零，呈现出持续的流动方向；另一种是振荡流（oscillating flow 或 oscillatory flow），其特征是流体的平均速度在一个周期内为零，即流体在相反方向上流动的时间相等，导致平均速度为零。尽管这两种流动类型在表现形式上有所不同，但通常被统一归为脉动流的范畴。脉动流因其独特的流动特性，在强化传热传质等方面表现出显著的优势，具有重要的工程应用价值。如何将脉动强化传热技术应用于换热装置已经成为研究焦点。脉动强化传热相较于传统的强化传热具有明显的技术优势：一方面，脉动流可以产生纵向涡流而破坏壁面的热边界层，加快冷、热流体的热量交换过程，提高传热效率；另一方面，脉动流可有效避免流道中产生的结垢现象。实现强化传热的关键是保证流体的持续性脉动。脉动强化传热技术主要存在以下两个问题：①脉动流激励源主要是机械力或者电磁力，这种方式产生的持续脉动流需要消耗额外能量；②在换热装置内部增加扰流装置或插件可使流体自身产生脉动，但这种方式产生的脉动流性能较差，扰流装置或者插件会导致流体阻力变大，且换热装置内部易结垢。因此，为了获得更好的低流阻脉动性能，需要结合新机理、新工艺研究，开发新的流体脉动强化传热技术。自激振荡腔室具有特殊结构，无须外界激励条件即可产生持续的脉冲射流，且具有结构简单、工作可靠、体积小以及安装方便等优点，在强化传热领域具有较好的应用前景。自激振荡脉动强化传热技术能够显著增强传热效果，其利用周期性脉动，可有效提高流体与传热表面之间的传热效率，且适于优化传热系统的设计。此外，自激振荡脉冲射流能够改善流体动力学特性，减少湍流和涡流的产生，提高系统的稳定性和可靠性，有助于降低传热设备的流体动力学损失，提高设备的运行效率和延长使用寿命。本书作者所在研究团队对自激振荡脉动强化传热的机理、数值模拟及多目标优化等方面进行了深入研究，并基于此撰写了本书。本书第1章主要介绍了脉动强化传热的机理、研究方法和影响因素，并详细讨论了湍流的数值模拟方法、强化传热的设计方法以及自激振荡脉冲射流技术的相关内容；第2、3章聚焦于自激振荡涡识别方法理论研究，包括自激振荡脉冲效应产生机理、涡识别方法计算原理、自激振荡热流道模型构建以及自激振荡涡结构特性分析，并对涡结构演化规律、涡结构强度和自激振荡周期性脉动流场进行深入研究；第4、5章主要涉及自激振荡腔室剪切层涡量扰动及脉动传热性能、热流道结构及换热管强化换热性能的讨论；第6～8章主要围绕自激振荡腔室换热特性及无量纲结构参数对传热和流阻性能的影响进行多目标优化设计，提出了基于交叉参考线方法的多目标进化算法；第9章对自激振荡腔室壁面进行改进设计；第10章研究了Al2O3纳米流体对自激振荡热流道传热性能的影响，并进行结构参数优选。本书内容在自激振荡脉动强化传热理论及热流道结构设计等方面具有重要的指导意义和实际应用价值。本书主要由汪朝晖、高全杰撰写，参与撰写的还有饶长健、程自强、王永龙、胡高全、冯亚楠、袁红梅、孙笑、甘霖、鲍荣清、赵耀辉、刘祥龙、蒋山杰、潘宗平。自激振荡脉动强化传热技术及应用仍处于不断发展之中，新的问题不断出现，即使是成熟的理论也需要新实践的检验。因此，本书难免有不足之处，恳请读者提出宝贵建议，以便能在今后得到纠正。

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