热声脉动波对边界层流动及传热的作用机理研究

提高换热器的换热效率是一种重要的低碳能源技术。本项目着眼于研究热声脉动波作用下的边界层流动特性和强化传热的本质机理，通过PIV、Micro-PIV和红外线热成像的实验测量技术和大涡数值模拟方法，揭示受热面在热声脉动波作用下的边界层变化规律与强化传热过程的耦合机理，探明受热面边界层对热声脉动波的响应特性，获得热声脉动波的关键参数与换热系数的传递函数。在实验数据的支持下，构造能够同时描述内部能量级串传递和外界快速波动诱发的亚网格湍动的亚格子应力模型，寻求高效准确的数值模拟参数和数值计算方法，系统描述受热面在不同的热声脉动波作用下边界层的流动结构变化和涡系演化特征，揭示热声脉动波强化传热的内在物理机理。本项目的研究将为深入了解热声脉动波下受热面的流动边界层结构和热边界层的响应特性提供理论指导和数值依据，同时对换热器的节能设计和工业应用具有重要的参考价。

项目采用实验研究和数值模拟相结合的方法研究了流体中脉动波对流动边界层和温度边界层的影响机制，着重研究脉动波的各种参数对对流传热的强化特性和强化传热的机理，探索脉动波的强化传热潜力。项目经过三年的研究，研究发现：（1）脉动波能有效削薄流动和热边界层的厚度，降低换热体的表面温度，深入的研究发现换热体表面附近的速度脉动分量的RMS值与强化传热效果具有直接的正相关性。（2）通过1000多个实验工况，构建了脉动流横掠圆柱体和平板的强化传热经验公式。（3）大量的实验数据表明，层流下低频率大振幅的脉动波能成倍提高对流换热系数，最大的强化传热效果达300%以上；湍流下低频率大振幅的脉动波仍能提高对流换热系数，但是幅度有限，强化传热效果在50%以内。研究表明脉动波在层流条件下具备大幅度强化传热的潜力。（4）采用脉动波强化层流流动传热时，存在一个临界频率（在15Hz左右），使得雷诺数对强化传热的影响趋势发生改变。. 项目的研究结果发表在《Experimental Thermal and Fluid Science》、《Heat and Mass Transfer》、《Experimental Heat Transfer》、《Heat Transfer Engineering》、《Heat Transfer Research》、《Chinese Journal of Chemical Engineering》、《工程热物理学报》、《中国电机工程学报》、《化工学报》、《动力工程学报》、《热力发电》、《热科学与技术》等期刊上，共18篇论文，其中SCI收录论文10篇，国家一级期刊6篇（4篇EI录用）。