幂率流体的对流换热特性的研究.pdfVIP

中国工程热物理学会 多相流 学术会议论文 编号：076040 幂率流体的对流换热特性研究 1陆友蓬1，王树众1，孙晓1，白玉1，宋振云2，李志航2 (1．西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，西安，710049： 2．长庆石油勘探局工程技术研究院，西安，710021) (TelE陋il：sz髓ng细ail．xjtu．edu．cn) 摘要：本文采用实验和数值模拟的方法对剪切速率变化下幂率流体的对流换热特性进行了研究。两种 方法的研究结果均表明：剪切速率的变化能极大地强化非牛顿流体的对流换热，而壁温、流体温度、 以及受温度决定的非牛顿流体的稠度系数和流变指数对对流换热的影响则甚小；由剪切速率变化引起 的导热不均匀场和由温度变化引起的黏度不均匀场之间不存在相互的耦合作用。通过研究我们得到了 与剪切速率有关的导热系数场不均匀性的附加乘积因子为(五，凡)0”。 关键词s幂率流体；剪切速率；对流换热特性 前言 本文主要研究剪切速率变．化对幂率流体对流换热特性的影响。 剪切速率对非牛顿流体的影响首先体现在粘度上，如幂律流体和宾汉流体，或里剪 切稀化，或呈剪切稠化。由于非牛顿流体的粘度同时还与流体的流变指数和稠度系数有 关，而这两者又取决于温度，因此非牛顿流体的粘度是剪切速率和温度的函数。但在计 算对流换热系数时，通常只考虑温度变化引起的粘度场不均匀性。 此外，不少研究者发现剪切速率还影响非牛顿流体的导热系数。流体导热系数的测 量通常都是在稳定的流场中进行的。但是，L∞【1J等人用旋转圆筒测非牛顿流体的导热系 聚合物的导热系数与剪切速率和聚合物的分子量有关，熔融状态高分子聚合物的导热系 数随剪切速率的增加而增加。在微颗粒悬浮混合两相流方面， 筒中对聚乙烯悬浮液的导热系数进行了研究，并得到了换热发展段和充分发展段内的 (正常为1／3次方)，这表明在剪切速率影响下，悬浮液导热系数的增加对换热起了较大 性影响的理论模型，提出在剪切场中颗粒旋转导致的微观对流是促使悬浮液导热系数变 大的主要机理。Roy等人16J采用微胶囊相变材料对泥砂流的强化换热问题进行了研究， 在分析过程中他们也引入了与剪切速率相关联的导热系数计算式，并得到了很好的结果。 虽然Sehyunl7J对导热系数随剪切速率变化下的对流换热问题进行了详细的数值模拟 研究，并分析了流变指数对对流换热的影响，但没有给出相应的计算关联式。本文主要 基金项目：国家自然科学基金(No、新世纪优秀人才支持计划(NcET一04—0923) 578 采用实验和数值模拟的方法对剪切速率变化对幂率流体对流换热的影响进行研究，得出 了相应的对流换热系数计算关联式。 1 幂率流体对流换热关联式 幂率流体的对流换热特性受很多变量的影响，如压力、温度、剪切速率等，因而计 算时必须综合考虑各种因素的影响。 不考虑物性场的不均匀性，圆管内层流幂律流体的对流换热系数计算关联式为： ㈣朋Re唧r∞(饥等)们告 ㈣ Re’为广义雷诺数；“为广义普朗特数： Re·：{辱 (2)… Kf丛h一· L 4n／ №≥K(等)”(铲 渤 如果存在物性场的不均匀性，(1)式等号右边需增加一个附加修正项。例如，如果管 壁温度和流体温度相差lO℃以上，则必须考虑由温度引起的黏度场不均匀性对换热的影 度系数，k为管壁温度下的稠度系数。 导热系数随剪切速率变化的经验模型目前有好几种，最简单最常用的公式为【41：