一种对声振动强化气体对流换热特性进行研究的装置

1.本发明属于流体数值计算(cfd)和流体声学计算(acc)实验领域，具体涉及一种对声振动强化气体对流换热特性进行研究的装置。


背景技术：

2.声共振现象最可能发生在气体介质横向流动的结构中。当声波的固有频率和由漩涡脱落或者湍流自身引起的激振频率一致时，将会发生声共振，从而引起刺耳的噪声。而一直以来，对于采用声场来进行换热强化的研究时有进行。声波能够引起流体流动结构的变化，可以通过削减或者破坏流体的流动边界层，来提升流体的传热传质能力。当声波的振动频率和由漩涡脱落或者湍流自身引起的激振频率一致时，将会出现频率锁定现象，发生共振，共振后的声场可以引起固体结构管壁的振动，破坏流体的边界层结构从而提升流体的换热能力。对于气冷微堆，采用声波强化换热这一方法存在可行性。如前文所言，声共振是最容易发生在气体介质的横向流动过程中。同时，气体在湍流过程中，由于流动不稳定性，可以形成四极子声源来传播声波。如果通过在流动管道中设置障碍物，在声波激发下形成声共振，引起壁面振动，就可以破坏气体流动边界层，提升流体的传热效果。针对这种强化换热方式，已经有大量研究展开。
3.例如在20世纪60年代初，国外学者j.r.mccarthy和h.wolf在进行电加热的光滑圆管内氢气和氦气的流动换热研究过程中，在多组实验中发现部分实验的实验结果中，加热管壁的温度有着很明显的下降，结合实验现场观察认为可能是由声振动引起的换热能力增加。在此之后他们专门就纵向声振动对气体对流换热进行实验研究，并得出结论，认为声振动在某些情况下可以将圆管内的气体流动换热能力提升两倍。但是该文献的作者并没有就声共振如何影响传热给出具体的解释。而且由于年代过早，该实验台架的设计难免存在着设计复杂、设备落后等不可避免的问题。
4.例如在20世纪90年代，m.c.welsh和k.hourigan撰写了论文《acoustics and experimental methods:the influence of sound on flow and heat transfer》。这篇文献结合诸多前人进行的试验和作者自己设计的实验，来探索声音影响换热能力的机理，通过实验描述不同工况下的作用原理，比如风管内流动产生的噪音、开放式喷气风洞内噪音的产生和水管中噪音的影响。但是该文献中并没有考虑加热壁面来进行流动换热的模型。
5.又如近年来，文献《heat transfer implications of acoustic resonances in turbine internal cooling channels》研究了对于涡轮内部冷却通道声共振的传热意义。该文献先通过软件仿真得出了大概的声场频率和声压的范围分布，然后将这些参数设计在具体实验中。该文献提供的实验台架中，声源的布置就是在试验段外安装扬声器来实现，证明本发明中声源的布置方法是可行的。但是该实验的模型设计是涡轮内部的冷却通道，存在着模型的局限性。
6.再如国内近年来，吕平等人在《振动对管内流体对流换热实验研究》中，采用在换热管外部安转弹簧来施加振动，以此来研究振动对管内流动换人的影响。但是改实验台架
存在着损耗大，受台架固定性限制的问题。


技术实现要素：

7.为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种对声振动强化气体对流换热特性进行研究的装置，该装置通过在试验段n上设置电加热丝l加热管道形成热边界条件；通过压力控制阀b和气体预热装置e控制流动气体的入口条件；；通过设置管道消音器f来提升实验结果精度；通过设置温度计、压力计、热电偶k和压力示波器o来记录实验数据；分别通过轴向扬声器g和径向扬声器m来设置纵向声场条件和横向声场条件，在绝热段中设计有障碍物。当扬声器的频率与流体流经障碍物时产生漩涡脱落的频率一致时，会诱发声共振，形成更强大的声场，声场引发固体壁面振动，从而达到影响对流换热的目的。进而研究声场影响管内气体对流换热行为的模拟。
8.本发明的目的是通过以下技术方案实现：
9.一种对声振动强化气体对流换热特性进行研究的装置，包括供气装置a，供气装置a出口管道连接压力控制阀b和气体流量计c，连接在气体流量计c下游的气体预热装置e，气体预热装置e的下游管道必须要设置成“l”型，在拐角处朝向试验段方向设置的有扬声器，记为轴向扬声器g，来提供纵向的声场，轴向扬声器g放置在五面隔音的六面体装置中，剩余一面紧贴管道壁面来减少声音向管道内传播过程中的能量损失；在轴向扬声器g的上游安装的有管道消声器f，管道消声器f一方面防止声音干扰气体预热装置e内的气体换热，保证气体在进入试验段时维持在设定的入口温度，同时也能防止上游的管道内噪音干扰下游的声场设置；轴向扬声器g的下游设置有流体入口压力机h，流体入口压力机h下游依次连接着绝热段i和试验段n；气体在绝热段i中经过充分流动发展出稳定的温度场和流速，绝热段i上安装有入口流体温度计j；绝热段在入口流体温度计安装位置偏后部分，在管内添加了光滑的具有椭圆形前沿的障碍物，用于激发声共振现象；试验段n上安装的有热电偶k和电加热丝l，热电偶k按照试验设计安装在试验段，通过电子设备来直观的显示试验段壁温沿程变化；试验段n的管侧壁同时安装了径向扬声器m，径向扬声器m的安装方式和轴向扬声器g一致，径向扬声器m朝向与试验段径向一致，用于模拟出气体流动过程中的横向声场；在试验段n的下游依次安装了压力示波器o、出口压力计p和出口温度计q；压力示波器o用于测量流体的在声场作用下的振动频率；出口温度计q的下游依次安装的有气体冷却器r、压力控制阀s和气体排放处理装置t；
10.当需要模拟纵向声场沿气体流动方向传播，诱发声共振并影响试验段内的强迫对流换热行为时，实验开始时，调整压力控制阀b控制气体按照实验设计条件流出，流经气体预热器e，在气体预热器e中进行加热到实验设计温度流出，流经“l”型管道，在绝热段i中经过充分流动形成稳定流场后流进试验段n，由电加热丝l通电加热管壁形成对气体的强迫对流换热，由安装在壁面的热电偶k测量壁面温度，出口温度计q测量流体出口温度；在没有纵向声场作用下完成第一组强迫对流换热之后，记录实验数据并绘图后，只开启轴向扬声器g，设置多组实验，每组实验设定不同的声强和频率，记录实验数据并绘图对比；通过调整音源的频率，使在已经建立其流动的情况下，声波的频率与绝热段中障碍物上漩涡脱落的频率相同时，激发声共振，此时记录数据，对比总结声共振对对流换热的作用机理；
11.当需要模拟横向声场对管内气体强迫对流换热能力的影响行为时，实验开始后的
设置步骤同纵向声场的步骤一致，在完成无声场作用下的强迫对流换热试验之后，开启径向扬声器m制造横向声场，径向扬声器m的位置与试验段上热电偶k的位置平行，来更直观地显示横向声场对气体对流换热的影响；同样也是分别设计多组试验，每组试验设计不同的频率和声强；对每组试验结果绘图后进行直观对比，实现横向声场对气体流动换热影响的工况的模拟。
12.所述试验段n采用光滑内壁圆管。
13.在装置中设计了轴向扬声器g，一方面实现研究纵向声场对气体流动换热能力的影响；另一方面实现模拟气体流动过程中由于湍流发声诱导流体振动，对气体流动换热能力的影响。
14.所述供气装置a根据实验要求，更换不同的气体，用以研究不同的气体流体在声场作用下流动换热特性的变化。
15.所述试验段管壁面上等距安装多个热电偶k，同时热电偶k和电脑相连，能够直接获得加热管在对流换热时的壁面温度分布，并能得到壁温在对流换热工况下的分布。
16.本发明具有一下优点和有益效果：
17.1.本装置设计两个方向的声源设置，能够实现不同条件下的声场模拟，能够有效的模拟不同声场作用下流体的对流换热特性的变化。
18.2.本装置在绝热段中设计了管内障碍物，可以用于研究管内自激发声对流动结构的影响。
19.3.本装置集成化程度较高，能够利用计算机进行多点信号采集，数据监测与处理速度较快。
20.4.本装置主要研究工质为气体，结论可以用于研究气冷微堆内的强化换热设计。
21.5.本装置可以通过更低的能量消耗来产生振动效果，同时使用声场振动相比于外力施加振动，能够减轻对台架设备和材料的损耗，具有更好的持久性与经济性。
22.6.本装置试验段选用的模型是最基本的光滑内壁圆管，可以用于多种试验模型的研究。
附图说明
23.图1为实验装置台架示意图。
24.图2为绝热段内障碍物设置示意图。
具体实施方式
25.下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
26.如图1所示，一种对声振动强化气体对流换热特性进行研究的装置，其特征在于：包括供气装置a，供气装置a出口管道连接压力控制阀b和气体流量计c，连接在气体流量记c下游的气体预热装置e，气体预热装置e的下游管道必须要设置成“l”型，在拐角处朝向试验段方向设置的有扬声器，记为轴向扬声器g，来提供纵向的声场，轴向扬声器g放置在五面隔音的六面体装置中，剩余一面紧贴管道壁面来减少声音向管道内传播过程中的能量损失；在轴向扬声器g的上游安装的有管道消声器f，管道消声器f一方面可以防止声音干扰气体预热装置e内的气体换热，保证气体在进入试验段时可以维持在设定的入口温度，同时也能
防止上游的管道内噪音干扰下游的声场设置；轴向扬声器g的下游设置有流体入口压力机h，流体入口压力机h下游依次连接着绝热段i和试验段n；气体在绝热段i中经过充分流动发展出稳定的温度场和流速，绝热段i上安装有入口流体温度计j；如图2所示，绝热段在入口流体温度计安装位置偏后部分，在管内添加了光滑的具有椭圆形前沿的障碍物，用于激发声共振现象；试验段n上安装的有热电偶k和电加热丝l，热电偶k按照试验设计安装在试验段，通过电子设备来直观的显示试验段壁温沿程变化；试验段n的管侧壁同时安装了径向扬声器m，径向扬声器m的安装方式和轴向扬声器g一致，径向扬声器m朝向与试验段径向一致，可以模拟出气体流动过程中的横向声场；在试验段n的下游依次安装了压力示波器o、出口压力计p和出口温度计q；压力示波器o可以测量流体的在声场作用下的振动频率；出口温度计q的下游依次安装的有气体冷却器r、压力控制阀s和气体排放处理装置t。
27.如图1所示，当需要模拟纵向声场沿气体流动方向传播，诱发振动并影响试验段内的强迫对流换热行为时，实验开始时，调整压力控制阀b控制气体按照实验设计条件流出，流经气体预热器e，在气体预热器中进行加热到实验设计温度流出，流经“l”型管道，在绝热段i中经过充分流动形成稳定流场后流进试验段，由电加热丝l通电加热管壁形成对气体的强迫对流换热，由安装在壁面的热电偶k测量壁面温度，出口温度计q测量流体出口温度。在没有纵向声场作用下完成第一组强迫对流换热之后，使用电脑软件记录试验段壁温分布、流体进出口温度、气体进出口压强、声源频率、声源强度并绘图后，只开启扬声器g，设置多组实验，每组实验设定不同的声强和频率，记录试验段壁温分布、流体进出口温度、气体进出口压强、声源频率、声源强度并绘图对比。主要对比在不同频率、不同声强下试验段的沿程壁温分布、流体进出口温升和流体流经试验段后的流体压降，总结出声场对气体强迫对流换热的影响。轴向扬声器同时也可以模拟出气体流动过程中由湍流发声诱发气体流体振动时，对气体在圆管内强迫对流换热性能的影响。
28.当需要模拟横向声场对圆管内气体强迫对流换热能力的影响行为时，实验开始后的设置步骤同纵向声场的步骤一致，在完成无声场作用下的强迫对流换热试验之后，开启径向扬声器m制造横向声场，径向扬声器m的位置与试验段上热电偶k的位置平行，来更直观地显示横向声场对气体对流换热的影响。同样也是分别设计多组试验，每组试验设计不同的频率和声强。对每组试验结果使用电脑软件绘图后进行直观对比，实现横向声场对气体流动换热影响的工况的模拟。
29.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。