自激振盪脈動強化傳熱數值模擬及其優化設計 汪朝暉 高全傑 9787577209258 【台灣高等教育出版社】

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本書提出將自激振蕩效應應用於脈動強化傳熱領域，並進行一系列模擬和數值模擬等具體研究，發現對自激振蕩腔室內渦結構、位置、強度等參數進行優化后可大大提升其傳熱性能，該研究可為強化傳熱領域提供一定的理論參考。

內容簡介
本書主要介紹了基於自激振蕩的脈動強化傳熱數學建模、數值模擬及相關優化設計三個方面的內容，詳細介紹了LES方法及其控制方程，同時定義了相關的流動和傳熱計算參數，建立了自激振蕩熱流道三維計算模型。對模型進行了結構化網格劃分並介紹了邊界條件設置；此外，為保證數值計算結果的可行性，分別對網格無關性進行了檢驗並驗證了湍流模型的適用性。在驗證模型精確度的基礎上對自激振蕩渦的結構特性、自激振蕩脈衝效應的流場流動特性以及自激振蕩脈動強化傳熱性能進行相關數值模擬及模擬分析，並對自激振蕩腔室的減阻特性、腔室的無量綱結構、納米流體流道結構參數以及自激振蕩腔室壁面進行優化改進。

作者簡介
汪朝暉教授作為項目負責人主持並完成了國家自然科學基金青年基金、國家自然科學基金面上項目、科技部國際科技合作項目、中國博士后科學基金、教育部博士點基金、湖北省重點研發計劃項目、湖北省科技研究計劃優秀中青年人才項目和重點項目、國家重點實驗室開放基金項目、武漢市高新技術產業科技創新團隊項目、武漢市學科帶頭人計劃等縱向研究課題。

目錄
第1章緒論1
8 4 3Pareto解集181
8 4 4中心結構與優化結構數值模擬對比181
8 4 5優化后的自激振蕩腔室速度流型182
8 4 6壁面剪切應力變化185
8 5NSGAⅡ與MOEACRL的優化結果對比185
8 6本章小結187
第9章自激振蕩腔室壁面改進設計及熱流場性能189
9 1引言189
9 2物理模型189
9 3自激振蕩腔室壁面結構優化190
9 3 1自激振蕩腔室結構的缺陷191
9 3 2圓弧曲線形自激振蕩腔室設計192
9 3 3基於貝塞爾曲線的腔室設計195
9 4新型結構的流動特性197
9 4 1腔室內部流動特性198
9 4 2出口脈動頻率200
9 5新型結構的換熱特性201
9 5 1出口平均溫度201
9 5 2壁面換熱係數202
9 6本章小結203
第10章基於Al2O3納米流體的自激振蕩熱流道結構參數優選205
10 1引言205
10 2納米流體流動特性研究的模型構建205
10 2 1物理模型205
10 2 2數學模型207
10 2 3納米流體熱物理性質210
10 2 4網格無關性測試及模型驗證211
10 3納米流體流動特性213
10 3 1速度場和溫度場213
10 3 2壁面剪切應力218
10 3 3壓降和阻力係數218
10 4納米流體的傳熱特性219
10 4 1努塞爾數219
10 4 2傳熱性能綜合評價220
10 4 3納米顆粒濃度對傳熱特性的影響221
10 5自激振蕩腔室結構參數優選222
10 5 1結構參數因素水平設計222
10 5 2基於直觀分析的極差分析法223
10 5 3基於統計分析的方差分析法225
10 6結構參數優選結果225
10 6 1渦量分佈225
10 6 2速度和壓力分佈226
10 6 3壁面溫度及努塞爾數227
10 7主要因素對傳熱性能的影響228
10 7 1努塞爾數228
10 7 2壓力脈動頻率228
10 8本章小結231

前言/序言
脈動強化傳熱技術作為改善傳熱性能的重要研究手段，在能源的開發、高效利用及節約方面扮演著關鍵角色。脈動流，特指流動狀態及其特徵參數隨時間發生周期性變化的流體，主要包括兩種類型：一種是「脈動流」（pulsating flow 或 pulsatile flow），其特徵是流體的平均速度在一個周期內不為零，呈現出持續的流動方向；另一種是「振蕩流」（oscillating flow 或 oscillatory flow），其特徵是流體的平均速度在一個周期內為零，即流體在相反方向上流動的時間相等，導致平均速度為零。儘管這兩種流動類型在表現形式上有所不同，但通常被統一歸為脈動流的範疇。脈動流因其獨特的流動特性，在強化傳熱傳質等方面表現出顯著的優勢，具有重要的工程應用價值。
如何將脈動強化傳熱技術應用於換熱裝置已經成為研究焦點。脈動強化傳熱相較於傳統的強化傳熱具有明顯的技術優勢：一方面，脈動流可以產生縱向渦流而破壞壁面的熱邊界層，加快冷、熱流體的熱量交換過程，提高傳熱效率；另一方面，脈動流可有效避免流道中產生的結垢現象。實現強化傳熱的關鍵是保證流體的持續性脈動。脈動強化傳熱技術主要存在以下兩個問題：?脈動流激勵源主要是機械力或者電磁力，這種方式產生的持續脈動流需要消耗額外能量；?在換熱裝置內部增加擾流裝置或插件可使流體自身產生脈動，但這種方式產生的脈動流性能較差，擾流裝置或者插件會導致流體阻力變大，且換熱裝置內部易結垢。因此，為了獲得更好的低流阻脈動性能，需要結合新機理、新工藝研究，開發新的流體脈動強化傳熱技術。
自激振蕩腔室具有特殊結構，無須外界激勵條件即可產生持續的脈衝射流，且具有結構簡單、工作可靠、體積小以及安裝方便等優點，在強化傳熱領域具有較好的應用前景。自激振蕩脈動強化傳熱技術能夠顯著增強傳熱效果，其利用周期性脈動，可有效提高流體與傳熱表面之間的傳熱效率，且適於優化傳熱系統的設計。此外，自激振蕩脈衝射流能夠改善流體動力學特性，減少湍流和渦流的產生，提高系統的穩定性和可靠性，有助於降低傳熱設備的流體動力學損失，提高設備的運行效率和延長使用壽命。
本書作者所在研究團隊對自激振蕩脈動強化傳熱的機理、數值模擬及多目標優化等方面進行了深入研究，並基於此撰寫了本書。本書第1章主要介紹了脈動強化傳熱的機理、研究方法和影響因素，並詳細討論了湍流的數值模擬方法、強化傳熱的設計方法以及自激振蕩脈衝射流技術的相關內容；第2、3章聚焦于自激振蕩渦識別方法理論研究，包括自激振蕩脈衝效應產生機理、渦識別方法計算原理、自激振蕩熱流道模型構建以及自激振蕩渦結構特性分析，並對渦結構演化規律、渦結構強度和自激振蕩周期性脈動流場進行深入研究；第4、5章主要涉及自激振蕩腔室剪切層渦量擾動及脈動傳熱性能、熱流道結構及換熱管強化換熱性能的討論；第6∼8章主要圍繞自激振蕩腔室換熱特性及無量綱結構參數對傳熱和流阻性能的影響進行多目標優化設計，提出了基於交叉參考線方法的多目標進化算法；第9章對自激振蕩腔室壁面進行改進設計；第10章研究了Al2O3納米流體對自激振蕩熱流道傳熱性能的影響，並進行結構參數優選。
本書內容在自激振蕩脈動強化傳熱理論及熱流道結構設計等方面具有重要的指導意義和實際應用價值。
本書主要由汪朝暉、高全傑撰寫，參与撰寫的還有饒長健、程自強、王永龍、胡高全、馮亞楠、袁紅梅、孫笑、甘霖、鮑榮清、趙耀輝、劉祥龍、蔣山傑、潘宗平。
自激振蕩脈動強化傳熱技術及應用仍處於不斷發展之中，新的問題不斷出現，即使是成熟的理論也需要新實踐的檢驗。因此，本書難免有不足之處，懇請讀者提出寶貴建議，以便能在今後得到糾正。