项目名称: 弹性肋片涡激振动强化圆管对流传热研究

项目编号: No.51506224

项目类型: 青年科学基金项目

立项/批准年度: 2016

项目学科: 能源与动力工程

项目作者: 孙旭

作者单位: 中国石油大学(北京)

项目金额: 20万元

中文摘要: 在微机电系统中,微型翅片流致振动对平板和微通道强制对流传热的显著强化作用已经为众多研究所证实。然而,弹性肋片流致振动强化传热的机理及其对于圆管等传热结构的适用性的相关研究还非常不足。因此,拟开展以下几个方面的工作:(1)提出一种可主动利用流致振动强化传热的弹性肋片圆管结构模型,建立对应力学和数学分析模型;(2)基于CBS有限元解法、双时间步方法、Galerkin有限元解法、弹簧近似法、修正结合界面边界条件方法以及流-固松耦合解法,开发层流情况下弹性肋片圆管模型强制对流传热问题的流-固耦合解法;(3)通过数值试验,揭示主要流场、结构及传热参数对弹性肋片圆管模型涡激振动、传热特性的影响规律;(4)利用拉格朗日拟序结构,定量分析肋片振动对近壁区流场对流特性的影响机制,揭示弹性肋片流致振动强化传热的机理。本项目将为流致振动强化传热技术的发展提供新的思路,为弹性肋片的推广及应用奠定理论基础。

中文关键词: 流体诱导振动;强化对流传热;;弹性肋片;圆管;涡激振动

英文摘要: In micro-electromechanical system (MEMS), many studies have found that the convective heat transfer of micro plates and tunnels can be enhanced significantly by the flow-induced vibration of micro-fins. However, very few work have been done on the nature of heat transfer enhancement of the flexible fin and its applications to other heat transfer structures such as tubes in many heat exchangers. Hence, the following work are carried out by this project: (1) designing a modified finned-tube structure which can take the advantages of the flow-induced vibration of the flexible fin in enhancing convective heat transfer, and establishing the corresponding mechanic and mathematical models; (2) developing a numerical method for the forced convective heat transfer of this modified finned-tube model at low Reynolds numbers, based on the characteristic-based split (CBS) finite element method (FEM), the dual time stepping method, the Galerkin FEM, the spring analogy method, the combined interface boundary condition (CIBC) method and the loosely coupled FSI method; (3) by numerical simulation, investigating in detail the influence of the flow, structure and thermal parameters on the vortex-induced vibration of the flexible fin and the heat transfer characteristics of the modified finned-tube model; (4) using the Lagrangian coherent structure, describing quantitatively the influence of the fin vibration on the convective characteristics of the flow field near the structure surface, and revealing the mechanism of heat transfer enhancement by flow-induced vibration of the flexible fin. This project will provide a new approach for the heat transfer enhancement technique using flow-induced vibration and lay a foundation for the application of the flexible fin in other heat transfer problems.

英文关键词: flow-induced vibration;convective heat transfer enhancement;flexible fin;tube;vortex-induced vibration

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