脉动流与波纹壁通道耦合强化换热及优化研究

为获得节能效果良好的散热通道,并进一步提升壁面结构优化设计效率,提出将遗传算法应用于数值计算过程,建立壁面型线的数学模型。对比分析了正弦脉动流作用下弧型、正弦型和贝塞尔曲线型3类波纹壁通道内流动换热现象,实现应用遗传算法调控优化计算流程,完成了通道结构的精确、快速优化。结果表明,弧型通道的流阻最低,正弦型通道的传热增强效果最好,而贝塞尔型通道兼具适度的传热增强和流动阻力提升。当雷诺数为5000和10000时,贝塞尔型通道综合性能显著优于其余两类通道,相对提升均超过20%,而雷诺数增加到20000时,通道综合性能也仅略小于弧型通道。壁面结构的添加在近壁面处激发出高湍动能区域,增强了近壁面流体与主流的传热、传质过程,近壁面高温工质被周期性地输运向主流方向。以贝塞尔型通道为优化对象,以综合性能评价指标为目标函数,建立了结合遗传算法的壁面型线快速精确优化方法。优化后的贝塞尔型结构整体趋向右后方布置,抑制了背流侧次级涡的分裂,涡结构强度得到保证。这一现象改善了背流侧的温度分布,缓解了局部过热问题,并最终实现了综合性能评价指标高达38.7%的提升。

脉动流下贝塞尔曲线型波纹壁通道流动传热特性研究

为探究波纹壁结构和脉动流耦合作用下通道内流动强化换热的时空效应,基于贝塞尔曲线线型多变、灵活、易控制的优势,设计出3种壁面型线的波纹壁通道,并对比分析了3种波纹壁通道在不同流动及脉动参数下的流动换热特性以及设计因素的作用机理。研究结果表明:湍流状态下(雷诺数为5000、10000和20000),迎流面积最小的模型2通道流动阻力最小,同时具有凹陷和凸起结构的模型4通道强化换热效果最佳;随脉动频率(2~20 Hz)的增加,3种模型通道的综合热性能先增再减,而随着脉动振幅(0.1~0.9)的增加,3种模型通道的综合热性能先增加再小幅度减小;在脉动流和壁面结构的共同作用下,热边界层的发展在结构单元尺度范围内被进一步破坏,高温工质区域沿流向间断分布。脉动流下波纹壁通道内流体扰动的时空耦合效应显著提升了通道综合热性能,为解决狭窄通道内部过热问题提供有效的途径。