表面活性剂减阻流动的传热弱化研讨.pdfVIP

中国工程热物理学会 传热传质 学术会议论文 编号：093175 表面活性剂减阻流动的传热弱化研究 1 1* 1 2 3 吴轩 宇波 王艺 魏进家 李凤臣 （1.北京市昌平区府学路18 号中国石油大学石油天然气工程学院，城市油气输配技术北京市重点 实验室，北京 102249 2.西安交通大学能源与动力工程学院，陕西 西安 710049 3.哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001)） ( *通信作者：电话：010 E-mail:yubobox@cup.edu.cn ) 摘要：为研究表面活性剂的减阻流动机理与传热弱化机理，建立基于Giesekus 本构方程模型的牛顿流 体与非牛顿流体分层共存模型。采用了高阶精度紧致差分格式，对壁面恒定热流槽道减阻流动的传热 过程进行了直接数值模拟，得到了传热弱化率与减阻率、努塞尔数、壁面法向热通量等物理量的定量 关系。研究了表面活性剂在不同位置对流体减阻与传热性能的影响。 关键词：分层共存模型，传热弱化，直接数值模拟，紧致格式 0 前言 在高雷诺数条件下，给流体中加入少量可溶于水的高分子聚合物或表面活性剂可以 有效地抑制湍流，减少流动阻力。如果在区域供暖或制冷水循环系统中或是输油管道中 加入类似的减阻剂，可以减少泵能耗，产生一定的经济效益。所以说，减阻剂有着很好 的应用前景。 但是减阻的产生并非没有代价。添加剂在产生减阻效果的同时，也使流体的传热性 能和热输送效率降低[1-2] 。换热器部分的传热弱化对系统热利用率的提高是不利的。因此， 对添加剂减阻流动的传热弱化机理进行研究，无论从科学研究角度还是工程应用角度都 是有必要的。到目前为止，对此问题的研究还比较少。Li 等（2004 ）对槽道减阻流动做 了详细的LDV 测量。使用Doppler 激光测速仪与微细热电偶测量了表面活性剂减阻加热 二维槽道流动热边界层的速度（u 与v 分别是流向和壁面法向的速度）与温度脉动（θ ）， 并讨论了传热弱化机理[3] 。Yu and Kawaguchi （2004 ）应用粘弹性Giesekus 模型对粘弹 性槽道湍流传热进行了直接数值模拟，再现了一些实验中观察到的现象，并将减阻流体 的传热特性与牛顿流体做了对比研究[4] 。Kagawa 等（2008 ）应用直接数值模拟方法研究 了高减阻率下不同流变参数对流体传热性能的影响，推导了努塞尔数倒数的各项组成表 达式，定量研究了平均速度、平均温度以及法向热通量对抑制换热性能的贡献[5] 。 以上数值模拟研究都是基于添加剂全场均匀分布，未能详细剖析添加剂在流场中不 同位置的作用强弱。本文应用分层共存模型[6] ，研究添加剂在不同区域对流体流动的阻 力与传热性能的影响，以找到添加剂的强作用位置。 基金项目：本文受到国家自然科学基金(No10602043)，教育部回国留学人员基金与教育部 新世纪人才计划(NCET-07-0843)资助。 1 模型的建立 本文的研究对象为上下壁面施加恒定热流qw 的表面活性剂减阻槽道流动（图1）。 图1 槽道流动研究区域 描述此减阻流动传热过程的控制方程如下： ∂θ + ∂θ + 2u+ 1 ∂  ∂θ +  + * + uj * 1 =+ *  *  (1) ∂t ∂x + * Re Pr ∂x  ∂x  j ∫− 1U dy τ j  j  为了研究表面活性剂在不同位置时对流体的作用，突破通常模拟中添加剂全流场分 布的局限，建立牛顿流体与非牛顿流体分层共存模型[6]，，其中非牛顿流体部分仍然采用 Gies