脉动流场下周期性管路内非牛顿流体的流动特性及其热质传递强化

热量和质量传递过程经常受到设备尺寸、流动性能以及传递效率的限制。此外，像生物化工和生物制药以及医学仪器等在处理一些特殊的高粘度、含有生物活体细胞以及血液等具有非牛顿流体特性的工作介质时，为避免或减轻对活体细胞的损害，要求在层流流场较低的剪切速率下获得比较高的热质传递速率，而不是利用湍流流场。为实现这一目的，对流动特性的把握以及高效热质传递强化技术的研究极为重要。作为热质传递设备的基本单元，近年来，许多在二维流路中利用流动分离与流体振动的结合来强化热质传递过程的研究证实了相应的传递强化效果。由于周期性三维管路具有易于产生流动分离而加速流体混合的特点，本研究考虑将其作为热质传递设备的基本单元，通过系统的实验研究，考察脉动流场下非牛顿流体的流动及传递强化性能，阐明流动的转捩行为的发展过程，确定脉动流场的最佳控制条件，为处理高粘度非牛顿流体的高效热质传递设备的开发设计提供重要的参考。

热量质量传递过程广泛存在于人们的日常生活和实际工程当中，是能源消耗的最主要方式之一。面对当前正在发生的能源短缺以及严重的环境污染问题，强化热质传递过程，提高能源利用率是一个十分现实和迫切的需求。本项目着眼于科学地认识热质传递设备内的流体流动特性以及传递过程的强化机理，力图通过改变流体的流动方式，在最佳流动操作条件下，以较低的能量消耗来获得较高的热量质量传递速率，从而达到节省能量减少污染排放的目的。.作为热质传递设备的基本单元，本项目设计了具有不同几何尺寸的系列二维凹槽流路以及三维波壁流路。利用国际合作研究和本研究室的实验技术，考察了流体在流路中的流动不稳定性，质量传递速率；同时还关注了流路的几何参数对流动不稳定性以及质量传递速率的影响。此外，利用向定常流叠加的一个振动流形成一个脉动流场，全面研究了脉动流场下流动的流体力学性能以及质量传递强化性能，确定了脉动流场的最佳操作条件，提出了脉动流场下热质传递的强化机理。.经过历时四年的实验研究和数值研究，阐明了二维流路内流动的周期性不稳定性以及三维流路的间歇性流动不稳定性特点；确定了流路几何参数及操作条件与流动不稳定性之间的关系；明确了脉动流场的操作条件和几何参数对传递强化效果的影响；揭示了所采用非牛顿流体的流变特性和传热传质特性。期间共发表论文11篇，其中SCI检索2篇，EI检索4篇，国际合作研究论文4篇，参加国际会议3次，获得国家发明专利1件。.本项目的研究结果，主要依据对实验研究的数据进行分析、归纳和总结得出，客观地反映了牛顿及非牛顿流体在二维以及三维流路中的流动特性和传递特性，可以为新型高效热量质量传递设备的开发设计提供重要的参考。