高虹，劉娟芳
（重慶大學動力工程學院，重慶400044）

    摘要：采用試驗研究的方法研究了流體力學不穩定性對強化換熱的影響。水流經Helmholtz共振腔時被轉變為脈動流體，脈動的水經單管換熱器時被加熱，測量不同條件下加裝共振腔和不加共振腔時的換熱系數。研究發現，加裝了Helmholtz共振腔時換熱系數明顯提高約10%～40%。
    關鍵詞：Helmoholtz共振腔；強化換熱；自激振蕩
    中圖分類號：TK12文獻標志碼：A文章編號：1001-5523(2009)02-0018-04
    1·引言
    當今世界能源危機日益加劇，強化換熱成為學者們研究的熱點問題，流體脈動對強化換熱的影響也引起人們極大的關注。一般認為流體脈動可以破壞熱邊界層，進而改變熱阻以達到強化換熱的目的。能夠使流體產生脈動的措施有很多，如利用往復泵、穩流泵加裝機械脈動部件等。本課題的創新之處在于設計制造了可以靈活改變結構的Helmholtz共振腔，并用于強化換熱。由于腔體特殊的結構，利用流體動力學不穩定性，在不外加動力的情況下就可以使通過腔室的連續流體產生脈動，并且可以通過改變腔體結構來達到調節脈動特性參數的目的。
    2·共振腔設計
    當一定參數的流體流過Helmholtz共振腔，流束中不穩定擾動波在穿過腔室剪切層時，由于剪切層是不穩定的，剪切層對擾動波有選擇放大作用，形成渦環結構。剪切流動中渦環與下游碰撞壁撞擊在碰撞區產生壓力擾動波并向上游反射，在上游剪切層分離處誘發新的擾動產生，當新擾動與原擾動頻率匹配且具有合適的相位關系時射流上游就不斷地周期性激勵，其固有波形受到調制，Helmholtz共振腔內就產生流體自激振動并在下噴嘴出口形成脈沖射流[1~3]。這種具有一定頻率脈動流導致壁面處旋渦的大量產生，從而增加了流體的摻混，破壞換熱器的流動邊界層的發展，保證壁面處始終處于較好的傳熱溫差狀態，從而強化換熱[4]。本課題運用流體網絡的水電比擬理論的相關知識，采用等效電路對Helmholtz共振腔進行簡化，推導出共振腔固有頻率的計算公式，然后討論共振腔發生諧振的條件，最后設計了共振腔。 
    根據相關文獻[5]，我們設計共振腔的簡圖，并將其簡化為等效線路，見圖1。
              
    根據水電比擬的流體網絡理論，在Helmholtz共振腔的進口和出口，由于流體速度很高，所以應該同時考慮出現流阻和流感，因而在等效線路圖中，有兩個不同的流阻和兩個不同的流感。由對應的等效線路圖，可以列出流量和壓力的關系方程如下：
              
    由上述求解方法可以看出，Helmholtz共振腔的固有頻率完全由腔室本身的有關參數決定，它是Helmholtz共振腔固有的性質，只有在外加作用力的頻率與Helmholtz共振腔的固有頻率相等或成整數倍時，諧振才能發生。因此在實際應用中可以根據使用條件，采取改變參數L和C或改變外加作用力的頻率方法使Helmholtz共振腔在其固有頻率下產生諧振。
    根據這個思路，我們將Helmholtz共振腔設計如圖2所示。共振腔主要包括前噴嘴、腔室、后噴嘴、碰撞壁四部分。前噴嘴采用普通的漸縮噴嘴，后噴嘴為直管噴嘴，碰撞壁為截錐面形。
                    
    3·自激振蕩脈沖射流強化傳熱實驗
                      
    為了驗證Helmholtz共振腔產生的自激振蕩脈沖射流是否可以產生強化傳熱，我們搭建了實驗臺進行實驗（圖3）。
    實驗在一長2 m、Ф12×15的換熱器上進行，采用電加熱方式，加熱功率為10 kW。在換熱器管壁上布置8對熱電偶，以測量管壁溫度；在穩流段以前及換熱器后布置熱電偶各1對，分別測量流體進出口溫度；保溫層外布置2對熱電偶測量保溫層外表面溫度。
    實驗中，共振腔的尺寸為：d1＝5 mm，d2＝6 mm，d＝40 mm，共振腔后噴嘴長度為：12 mm、17 mm、18 mm、23 mm、25 mm，腔室長度為：10 mm、11 mm、12 mm、13 mm、14 mm。通過測量流體進出口溫差、流量求得換熱量，并得到換熱系數h和強化比E：
    E=h/h0(6)
    其中E為換熱系數強化比；h為有共振腔時的換熱系數；h0為沒有共振腔時的換熱系數。
    4·結果及分析
    實驗在保證流體流速基本穩定的情況下進行，實驗中的流速范圍是5～7.5 m/s；換熱器的加熱功率為3 028 W、4 378 W、5 288 kW；共振腔前后的壓差為0.425 MPa、0.375 MPa、0.35 MPa、0.31 MPa、0.29 MPa；流量為0.466 kg/s、0.43 kg/s、0.41 kg/s、0.38 kg/s、0.36 kg/s。實驗在不同工況下交叉重復進行，求出不同加熱功率和流量條件下的傳熱系數h及強化比E。
    4.1強化比E與流量及壓差的關系
    本實驗中通過調節壓力表后的閥門來調節共振腔前后的流量及壓差。強化比與流量的關系以及流量與壓差的關系如圖4，5所示。從圖中可以看出：
               
    ①在合適的水力參數和結構參數的配合下，Helmholtz共振腔產生的脈動流將明顯地強化換熱。這是由于隨著流量的增大，流體動量隨之增大，此時產生的脈動比較強烈，破壞了流動邊界層，降低了熱阻，從而強化了換熱。本實驗中的強化比范圍是1.01～1.74，比較穩定的強化比是1.1～1.4。
    ②由于壓差與流量呈正相關關系，當壓差增大時，將產生更為強烈的脈動流，從而明顯地提高流體的紊流程度，強化管內流動換熱，故較高壓差時的強化比大于較低壓差的強化比。
    ③在流量及壓差較小時，使用共振腔時不一定能起到強化換熱的作用。原因是：在較小的流量及壓差下，射入共振腔的流體動量較小，不足以形成反饋放大的自激振蕩現象，并沒有形成脈動流或脈動現象比較微弱，不能引起換熱段流體的強烈擾動，所以不能強化換熱。
    4.2強化比E與后噴嘴長度的關系
    為了分析Helmholtz共振腔后噴嘴長度對強化換熱的影響，保持流量和腔室長度不變，通過加裝不同的芯子改變后噴嘴長度，調節范圍是12～25 mm。強化比E和后噴嘴長度的關系如圖5所示。
              
    從圖5中可以看出，隨著共振腔后噴嘴長度的增加，強化比的變化比較明顯，對于一定的共振腔，存在最優的后噴嘴長度。如：當流量=0.466 kg/s，共振腔后噴嘴在18~23 mm時有利于強化換熱。
    4.3強化比與腔室長度的關系
    為了分析Helmholtz共振腔腔室長度對強化換熱的影響，保持后噴嘴長度不變，通過加裝不同厚度的墊片改變腔室長度，測得強化比，如圖6所示。
              
    從圖6中可以看出：腔室長度會影響強化比，隨著腔室長度地增加，強化比呈現上下波動。當腔室長度為11 mm和13 mm左右時，強化比最小；當腔室長度為12 mm時，強化比最大。
    5·壓力損失
              
    圖7為壓差隨流量的變化。隨著流量的增大，壓差隨之增大。因此，隨著壓差或流量的增加，都將增大流體的脈動程度，達到更佳的換熱效果。但是加裝了Helmholtz共振腔時的壓降總是略大于無共振腔時的壓降。也就是說，流體流過共振腔時有壓力損失，將Helmholtz共振腔應用于實際換熱器時會增加動力投資。但是，相對于換熱系數的提高，這部分損失是可以接受的。
    6·結論
    （1）對于本課題設計的共振腔，只要配合以適當的水力參數，就可以產生自激振蕩脈沖射流。
    （2）將共振腔產生的自激振蕩脈沖射流引入換熱器后，當自激振蕩的強度達到一定程度后，可以強化換熱。只要選定合適的水力參數和結構參數，共振腔可以將管內流動換熱系數提高10%～40%。
    （3）共振腔的結構變化會影響流體的脈動頻率和幅值，從而影響脈動流的強化換熱效果。
    （4）共振腔不是在所有的工況下都可以強化換熱的。當壓差及流量小至一定程度時，使用共振腔還可能弱化換熱。
參考文獻：
[1]廖振方,唐川林.自激振蕩脈沖射流噴嘴的理論分析[J].重慶大學學報,2002,(2):24-27.
[2]唐川林,廖振方.自激振蕩脈沖射流裝置的理論分析和實驗研究[J].煤炭學報,1989,(1):90-100.
[3]蔣海軍,廖榮慶.自激振蕩脈沖射流機理探討[J].西南石油學院學報,1998,(3):55-58.
[4]李淑英,李興泉,王乃華.管內流動脈動強化換熱的影響[J].山東建筑工程學院學報,1998,(4):46-49.
[5]汝大軍,廖榮慶,熊繼有,等.自激振蕩腔頻率特性及腔室設計研究[J].西南石油學院學報,1999,21(4):78-81.