system: [SYSTEM]

user: 2. 有源技术 2.1. 多相RB对流换热系统 多相流动体系指的是由两种或一种连续介质和若干种离散介质组成的连续性体系。连续介质称为连续相，离散介质(如固体颗粒、水泡、液滴等)称为分散相(或非连续相)。多相物体的流动现象广泛存在于自然界、日常生活及工程实际中。一般可认为，绝大多数的流动都是多相流，纯粹的单相流(如极纯净的气体或水等)是极为少见的。多相流体系中最为常见的是两相流系统，它是关于分散相在连续相中的运动规律及其反应过程的影响。在RB对流中，分散相为液滴或气泡时，有很多特点。例如，液滴和气泡在运动中会变形，在液滴或气泡内出现环流，界面上有波动，表面张力梯度会造成复杂的表面运动等 [ 15 ] [ 16 ] 。现主要分析汽液两相流对对流传热的影响。 研究发现，从底部加热的以乙烷(C 2 H 6 )为样品的湍流热传输装置，当使其上下表面温差跨越样品气液共存曲线时，汽化潜热H会提供一个附加的导热传输机制，导致有效导热系数 随着T t 的降低呈现线性增加趋势，并最终到达一个最大的导热系数 ，其值比单向作用下的导热系数 大了约一个数量级。特别是压力P接近临界压力时，即使在汽化潜热H消失的情况下，最大导热系数 也会急剧增加。Jin-Qiang Zhong [ 17 ] 认为这种现象是由于在接近临界点附近液滴的成核率得到一个有效的增强导致。L.Biferale等人 [ 18 ] 通过一种高分辨率数值模拟多相流动的对流(沸腾)算法模拟了该实验过程。 2.1.1. 实验装置及步骤 为研究这一现象，实验 [ 17 ] 采用一种圆柱体样本，其直径D等于高度L，以乙烷(C 2 H 6 )作为实验气体，测量其在略低于临界点(CP)时的导热系数 ，同时样本压力P及上下板温差 均保持恒定，考虑到在上板会出现一个较大的热量梯度，实验还应关注当T t 逐渐从略高于Tø减少至低于Tø时热量传输 的参数范围。该装置已多次被用于湍流贝纳特流的测量。通过阴影法图像显示，发现此时液滴的凝结主要珠状凝结而不是膜状凝结，当临界压力时，汽化潜热H消失，但最大导热系数 会急剧增加。 2.1.2. 实验结果分析 由于热量传播不仅取决于汽化潜热，还依靠成核速率，实验表明当系统处于临界压力时，整个流体处于气液共存状态，此时的汽化潜热减小，但系统整体传热却反而得到增强，此时起决定作用的是成核速率，由此可得出结论，成核速率在临界压力附近对热量传播的影响较之汽化潜热更大，之后的实验考虑了顶板表面粗糙度对成核速率的影响，结果也显示表面粗糙度对于成核速率的影响并不十分明显，且成核过程在整个板平面是均匀发展的。 2.1.3. 结论 在湍流RB中，当应用温差 跨越气液共存曲线，会导致有效导热率线性增加，甚至比单相对流中导热率大一个数量级或更多，与此同时，当压力P接近于临界压力时，会导致一个最大换热量P CP 。由于在临界点处汽化潜热H消失，但液滴成核率的增长克服汽化潜热消失带来的影响，导致导热率仍然上升。 目前更深入的研究有在两相流中加入纳米流体可使得RB流得到进一步强化，或是将两相流的强化作用推广到三相流中，这些有待之后的实验跟模拟来检测。 2.2. 通过旋转增强换热 旋转湍流对流动力学的影响是由相关的全球规模的科里奥利力(科氏力)和浮力的比值所决定的 [ 19 ] - [ 24 ] ，旋转效应不仅改变流体的平均运动，同时也改变湍流的强度和脉动结构。Pallares和Davidson [ 25 ] [ 26 ] 采用大涡模拟的方法对此进行了数值模拟研究。Eric M. King [ 27 ] 等人认为该转换是通过热(非旋转)和埃克曼(旋转)边界层的相对厚度来控制，并在两种边界层竞争的基础上制定了两个区域过渡的描述。 如图1(a)，快速旋转流通常由转动轴产生的科氏力引入到细长的连贯对流列中。这种形式的影响，是由地球内部磁场的强度结构决定。当热流压迫增加，使得相对旋转的影响减弱，从而图1(b)的三维湍流对流产生。目前普遍支持的观点就是当全球规模浮力与科氏力的比值小于其统一状态下时，旋转将成为影响对流的主要形式。此结论可通过耦合实验和数值实验的方式得出，控制对流的主要形式是边界层 图1. 数值实验的垂直速度Iso-surfaces图。(a) E = 10 −4 ，Ra = 5 × 10 6 ，Pr = 7。呈现的是一种大尺度、连贯、轴向的典型旋转速度对流主导的对齐结构。(b) E = 10 −4 ，Ra = 2.1 × 10 8 ，Pr = 7。显示的是一种典型的非旋转三维对流结构 [ 27 ] 动态而不是全球规模力平衡 [ 27 ] 。 先前许多的研究证明了旋转对流系统的存在，但对于旋转对流换热没有统一的描述，通常情况下，我们以Nu和Ra数作为传热效率的标度律。Nu = 1为纯粹的热传导，更高的Nu表明了更高效的对流换热。在对流换热中， 许多非旋转对流实验以 为标度尺度，而旋转对流实验一般以 作为标度尺度，不同标度尺寸的选择也引起了天体物理或地球物理参数领域产生多个数量级的预测。 根据边界层动力学，对流流体区域包含两种截然不同的动态区域：内部流体以及边界层。在非旋转的湍流区域，扩散的影响可以忽略不计，唯一限制传热的就是热边界层的产生，同时对流量的增加可导致热边界层厚度变薄。而在旋转流体力学中，旋转的强度是以粘性力与科氏力的比值为特征，即埃克曼数： 其中埃克曼边界层厚度 ，因此埃克曼边界层随着旋转速率提高而变薄。 2.2.1. 实验步骤 在旋转对流实验中，可通过改变加热速率来改变热边界层厚度，改变旋转速率改变埃克曼边界层厚度。几种不同的流体以Pr数作为对比参数，Pr = v/k。不同的普朗特数流体产生稍有不同的非旋转缩放因子，但其影响较弱，当考虑到旋转时，由于科氏力的稳定效果使得对流的产生延迟了，一旦对流产生，传热显示出更陡峭的特性，如图2 [ 27 ] 。 这与先前认为的 相符合，因此，可以验证旋转控制机制中Nu正比于Ra 6/5 的结果。继续比较过渡瑞利数Ra t 和努尔数Nu t ，发现当Ra < Ra t ，受旋转影响的对流的传热效率不及非旋转的对流；当Ra > Ra t ，传热受旋转影响并不明显。其结果支持边界层转换的假设。 进一步在E = 10 −4 和Pr = 7的数值实验条件下测量边界层厚度。当热边界层厚度大于埃克曼层，对 图2. Nu数与Ra数对数图；(a) 实验取得数据，(b) 数值模拟数据 流表现为湍流；相反，当埃克曼层比所述热边界层更薄，旋转的影响控制对流以及限制流体运动。对于边界层控制转换比例Ra/Rat，广泛适用于自然对流系统，由于Ra很难在自然下直接观测，而通量瑞利数 ，取决于整体浮力通量，对于热对流： Ra t 和Nu t 构成了一个过渡性的通量瑞利数，其值Raf，t = 0.25E−9/4。 2.2.2. 结论 综合流体性质，系统尺寸，和旋转速度及热通量，可确定一个完整的对流机制，并借此可求得地壳层的瑞利数Ra ≈ 7 × 10 24 ，表明核心对流只是发生在边界层过渡以下，并使转变作为核心动力。 实验和数值模拟表明，在RB流中，适当的旋转导致相对适中的Ra ≈ 10 8 和Pr数，可提高换热达30%，但当Ra过大时，热量传输效率会降低。甚至当Pr ≤ 0.7，热量增强会彻底消失。之后的研究方向主要是优化旋转速率等可变因素，使得其换热效果达到最佳。 2.3. 脉冲法 在RBC中投入周期的脉冲能量，当脉冲以正弦或常量的形式投入，RBC的传热效率都得到有效的增强，Nu平均增加了7%。研究发现，增强换热取决于两个方面：一是驱动能量的投入是否与湍流时间尺度同步，当投入能量的周期等于大规模流动周期时间的一半时，能够得到一种共振的强化；二是取决于脉冲的波形(形式)，由实验可知，尖脉冲比平脉冲更能有效增加热量传输。因此，XIAO-LI JIN [ 28 ] 等作出假设，存在适当范围内的驱动力A以及驱动频率f可使得瑞利数在低饱和值 和高饱和值 之间达到一个合适的饱和值Ra。根据A跟f的幂律法 以及 ， 标度律也与之前预测的驱动湍流平均场理论想吻合 [ 29 ] 。 目前的研究提供了一个范例，通过制动控制排放聚集热羽流第一次触发的时间，然后同步羽流群内部的运输时间尺度，可以实现强化换热系统。一种方法是通过周期脉冲作为能量输入的手段驱动湍流 [ 29 ] ，可以发现由于驱动力以及驱动频率的影响使得Ra数增长并达到一个饱和值，在Hooghoudt [ 30 ] 等人的数值分析中得到类似结果。另一种方法是通过正弦调制的能量输入外长度尺度湍流系统，Heydt利用平均场理论，研究了湍流系统对弱调制能量输入的响应，并预测其与调制频率和能量串联频率等有关。对于低频驱动，系统几乎遵循恒幅调制，然而在高频条件下，反向调制频率大大降低。后续的数值模拟也直接或间接验证了这些理论 [ 31 ] [ 32 ] 2.3.1. 实验介绍 为研究定期驱动湍流在RB腔中的影响，已知流体被三个控制参数限制：Ra、Pr以及装置纵横比 。实验采用两个充满水的立式圆筒形室，直径D均为19.4 cm，高度H分别为19.4 cm和39.2 cm。上下板材料为铜，四周是透明有机玻璃管，下板由程控电源控制，使脉冲加热得以系统实施。上板由一个冷藏再循环装置控制，使保持恒定温度。整个对流室由几层绝缘材料包裹，并置于恒温箱中(平均温度40℃)，恒温箱有一个0.05℃的温度稳定性。用于实时监控温度的5个2.4 mm直径的热敏电阻，被安装在上下板。t = 0时，对下板进行脉冲加热。Ra数和Nu数由三种脉冲参数脉宽 ，脉冲间隔时间 以及脉冲振幅P决定。 2.3.2. 实验结论 如图3实验数据表明，对于Ra数，每个脉冲周期都会出现一个峰值以及随后的衰减，当脉冲频率f足够大时，Ra数达到一个饱和值Ra sar ，并且在f增加，饱和Ra数也随之增加，但峰值和谷值Ra的差距却减小，比较不同频率和不同的驱动力A下Ra sat 值，可发现当其大于一特定值时，整个对流可视为在湍流状态；总结两个圆筒室的结果，得出下列两组关系： 进一步分析下板、上板、室中央以及侧壁温度波动的标准差，可分析得出热羽流主要发生在侧壁区 [ 33 ] 。对于Nu，实验表明，当脉冲周期T kick 在一个合适的范围内时，Nu数得到有效的增强，且当T kick ≈ T lsc /2时，整个系统达到共振，增强效果得到最优化，因此脉冲加热比传统的热量传播更有效率。而特定波形对Nu数的增强作用，主要通过两个因素的影响：脉冲周期与湍流固有时间尺度的同步性以及波形的影响。 因此，综合Lohse的平均场理论 [ 29 ] ，饱和Ra数是介于低饱和水平和高饱和水平之间波动的，而其饱和水平的尺度，取决于驱动力A和驱动频率f，脉冲引起的大尺度环流(LSC)仍存在于RBC系统中 [ 34 ] ， 图3. 不同频率下Ra数与时间函数图(a)在纵横比 为1的室中，其中驱动力A = 347.66 J，驱动频率至下而上，大小分别为5 × 10 −4 Hz，3.36 × 10 −3 Hz，1.13 × 10 −2 Hz，3.33 × 10 −2 Hz，1.25 × 10 −1 Hz和3.33 × 10 −1 Hz. (b) 测量的是一段饱和Ra(t)在驱动力A = 347.66 J以及f = 0.033 HZ下随时间变化图像 [ 28 ] 其强度与稳定驱动下的湍流系统一致，所以脉冲对Nu的加强，是与合适脉冲参数的选择有关，接下来的工作就是对于驱动湍流进行初步的实验研究，例如长周期的驱动能力投入对自衰湍流热对流系统的间歇影响，以及在驱动频率远大于LSC周期的情况下大尺度环流是否仍然存在。