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在水中添加少量的阳离子表面活性剂可以降低流体的湍流阻力,并可以降低输送过程中的热损失,还可以降低泵的功耗。近年来, 表面活性剂减阻溶液在区域供热/冷系统中的应用已逐步成为人们研究的一个热点问题。然而减阻流体减少阻力的同时,降低了区域供热/制冷系统中的传热效率。因此探索减阻流体传热下降的机理是有必要且很有价值。为了探索减阻流体传热性能变化的机理。在国家自然基金的资助下,我们搭建了二维可视化矩形的流动传热试验台,对十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)作为减阻添加剂的减阻流体的减阻性能,传热性能及边界层的温度分布进行了试验研究。
本研究主要包括以下几个方面的内容:一、应用测压差装置和热电偶测温系统对二维光滑流道内减阻流体的减阻性能和传热性能进行试验研究。二、对减阻流体在二维流道内边界层的温度分布进行了试验研究并对其进行了定性分析。三、在流动和传热试验基础上对CTAC减阻流体的传热系数与阻力系数之间的关系进行了分析。
主要得到以下结论:
1) 当减阻流体的减阻性能保持不变时,在减阻流体流动达到临界雷诺数之前,传热性能的下降率随雷诺数的增大逐渐缓慢地增大;在达到临界雷诺数之后,传热性能下降率快速减小,传热性能急剧上升;最后,随雷诺数的增大,传热性能下降率与减阻率的变化速度趋于一致。
2) 加热板热流密度对CTAC减阻流体的减阻性能有一定的影响,当热流密度增大到一定量后,部分配比的减阻流体的减阻率减小,摩擦阻力系数随雷诺数的增大而增大,热流密度较大时,减阻流体容易出现阻力临界现象。
3) 与减阻性能相对应,加热板热流密度对CTAC减阻流体的传热性能也有影响,热流密度增大到使减阻率下降时,减阻流体的传热性能下降率也减小,传热性能恢复速度很快。这很可能是热流密度增大导致加热板壁面温度升高到一定程度而使CTAC减阻流体的网状结构发生了变化,而使得流体脉动受到抑制的现象出现缓解。
4) CTAC减阻流体的传热系数和阻力系数与希尔顿-考尔朋类比关系存在较大的差异,减阻率越大差异越明显。
5) 在范围内,CTAC减阻流体的温度梯度明显比水的大,说明在这个区域,CTAC减阻流体的热阻比水的大。在范围内,CTAC减阻流体的温度梯度仍然比水的要大,但是和相比差距有所减小。在区域,CTAC减阻流体的温度变化很小,和水的相比,CTAC减阻流体的温度梯度比水的略小。在区域,CTAC减阻流体与水的温度分布曲线没有明显的不同。
本文对减阻流体的传热性能、边界层温度分布以及传热与阻力的关系进行了深入的分析,并为下一步的研究提出了明确的目标。