壁面結構和溫度梯度對Taylor-Couette流動穩定性影響的研究

《壁面結構和溫度梯度對Taylor-Couette流動穩定性影響的研究》是依託江蘇大學，由劉棟擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：壁面結構和溫度梯度對Taylor-Couette流動穩定性影響的研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：劉棟
• 依託單位：江蘇大學

項目摘要

同軸圓柱間的Taylor-Couette流動廣泛存在於電機、旋轉葉片耦合器、離合器等裝置中，提升該流動的傳熱能力，是改善此類設備性能的關鍵。本項目研究壁面幾何結構對Taylor-Couette流場轉捩及傳熱過程的影響機制。利用PIV結合折射率匹配法完成不同模型內的流場測試工作，對數據處理所得結果，套用本徵正交分解方法分析不同模態的流場信息，確定各個流態轉捩過程的臨界點，探索壁面幾何參數與臨界雷諾數之間的關係；採用數值模擬的方法獲得環形間隙內溫度場分布，分析流場和溫度場之間的關聯性，闡明溫度梯度和壁面結構對流場轉捩過程的影響機制；根據實驗數據計算不同工況下環形間隙內的熱流通量、對流換熱係數以及Nu數，以此為基礎建立傳熱準則關聯式，揭示壁面結構對傳熱過程的影響規律。項目研究能夠為複雜條件下Taylor-Couette流動的研究提供新思路，所取得的成果也可以為相關裝置的傳熱最佳化設計提供依據。

結題摘要

同軸環隙間的Taylor-Couette流動廣泛存在於電機、核主泵、離合器等裝置中，提升該流動的傳熱能力，是改善此類設備性能的關鍵。項目研究了外圓柱壁面溝槽對Taylor-Couette流場轉捩及傳熱過程的影響規律。利用PIV結合折射率匹配法完成了不同模型內的流場測試工作，結合本徵正交分解、渦量和湍流強度的計算，確定各個流態轉捩過程的臨界雷諾數，掌握了壁面溝槽數量與臨界雷諾數之間的關係，獲得了溝槽壁面加速流場轉捩、影響波動渦流的波動頻率和振幅等結論。研究了溫度梯度影響下不同模型內的流場穩定性問題，獲得溫度梯度影響泰勒渦軸向尺寸的結論，隨著格拉曉夫數的增加，泰勒渦的數量減少，項目中研究的內壁面高溫形成的溫度梯度，促進了逆時針旋轉的渦胞，減弱了順時針的渦。利用數值模擬進一步研究溝槽壁面對環隙內流動穩定性的影響規律，結果表明溝槽的存在促進了環隙內流體的外射流作用，溝槽內形成的漩渦流動促進了環隙內流體與溝槽內流體的相互作用，使得環隙內流體的流動狀態發生改變，加劇了環隙內的流動不穩定性。在上述實驗及數值模擬研究的基礎上，項目針對溝槽壁面對環隙內泰勒渦傳熱性能的影響做了深入研究，分析了泰勒渦出現前後內壁面熱流密度的變化規律，驗證了泰勒渦能夠強化環隙內流動傳熱過程。在對比不同溝槽模型計算結果的基礎上，獲得了溝槽數量對環隙內流體換熱係數的強化規律，結合實驗和數值模擬，建立了光壁模型和不同溝槽模型內流體的努塞爾數與雷諾數之間的關聯式，揭示了壁面溝槽數量對環隙內流體傳熱過程的影響規律。項目的研究有助於加深對複雜邊界條件下Taylor-Couette流動的認識，為提高電機散熱效率以及緩解核主泵泵軸表面的熱疲勞現象的最佳化設計提供依據。