振动法强化对流换热的研究与应用

采用振动法强化对流换热是一种很有前途的耗功强化技术。此法中既可为换热面振动，也可为流体振动，或者换热面和流体两者都产生振动。

1.利用换热面振动强化传热

换热面振动能直接破坏边界层而达到强化传热的目的。通常采用电力振动器或机械传动偏心装置来使换热面产生人为的振动。对换热面在静止流体中振动的强化方法，研究最多也最早。大多数的研究者是将浸没在静止流体中的热水平圆柱体作垂直或水平振动，然后研究换热面振动对换热的影响。研究表明，只有当振动强度达到临界值时换热系数才会增加。在研究中振动强度通常用所谓振动雷诺数Rev=4afd/v表示，其中a和f分别表示振动的振幅和频率，d为圆柱体的直径，v为流体的运动黏度。研究还表明，在小振幅和高频率时换热系数甚至可以增大10倍。

对垂直平板在静止流体中振动，研究表明，当振动强度达到临界值时，与不振动相比，换热系数可增加7％～50％。当振动强度低于临界值时，则有不同的结论：有的实验认为，换热系数略有增加；有的实验结果反映，与不振动相比，换热系数还略有降低。

当流体强制流动时，换热面振动也能促进换热强化。研究表明，根据振动强度和换热系统的不同，换热面在强制流动的流体中振动时，换热系数可比不振动时增大20％～400％。值得注意的是，在许多实际工程中利用换热面振动来强化传热是很困难的。一方面，换热面质量较大，使其振动需要消耗较多的能量，甚至耗费的能量比增强传热所带来的收益还高；另一方面，振动还有可能造成设备损坏。这也是利用换热面振动强化传热未能得到实际应用的原因。

2.利用流体振动强化传热

实验研究和工业应用都表明，流体振动能有效地强化对流换热。已经研究过的振动频率包括亚声波（20 Hz以下）、声波（20～20 kHz）和超声波（20 kHz以上）。

对于自然对流换热，声振场对热的水平圆柱体或热平板与周围流体的换热有明显的影响。研究表明，当声强超过140 dB时，换热系数可增加1～3倍。但值得注意的是，由于无声振时自然对流的换热系数很低，即使利用声振使换热系数增加几倍，其换热系数依然不高，而产生声振却需消耗不少能量，此时采用使流体强制对流或机械搅拌的方法更加简单、实用。

对于强制对流换热，加上声振场后换热系数依然可以增加。例如对气体而言，有声场时平均换热系数可比无声场时提高1倍。对于环形管道中流动的水，与无声场时相比局部换热系数可增加40％。(https://www.daowen.com)

在工程实际中应用最多且最有前途的使流体振动的方法不是外加声振场，而是采用其他方法使流体产生低频振动或脉动。通常采用脉动阀门、空气脉动器或往复泵即可使流体产生低频振动或脉动。此时强化传热的效果则与脉动频率、脉动幅度、脉动阀门位于换热器的上游或下游有关。

不少研究者对流体脉动与强化传热的关系进行了研究。研究表明，对高黏度流体和非牛顿流体的层流运动基本上没有强化传热的效果。对气体流动而言，则可使临界雷诺数减小，当雷诺数为1500时即可转变为湍流。根据脉动方法、脉动频率和流动工质的不同，流体低频脉动可使管内强制对流换热的换热系数增加1倍左右，个别实验可达2倍。研究还表明，采用流体脉动强化传热在经济上也是有利的，当换热系数因流体脉动而增加70％时，所需的功率消耗与无脉动时相比仅增大30％而已。

目前在利用流体振动强化传热方面，程林教授提出了利用流体诱导振动来强化传热的思想。他设计了一种弹性盘管和与其相关的脉动流发生器，通过脉动流诱发弹性盘管产生微小振动，从而极大地强化了传热过程，并抑制了污垢的产生。这种流体振动，换热面也振动的强化传热新方法，几乎不耗外功，却能极大地提高传热系数。根据这种新思想设计的汽水加热器已在供热工程中得到广泛的应用（详见第6章第3节）。

黄素逸等提出了利用小扰动强化传热的思路。这可以从两方面理解。首先从受力的情况分析，流体或换热面会受到各种力的作用，当各种力失去平衡时就会导致失稳，然后进入另一种稳态；或再受到恢复力的作用而回复，从而引起振荡。只要输入的能量等于阻尼引起的能量消耗，振荡就能持续下去。其次如果将流体和换热面看成一个系统，并设法使该系统的输出对输入有正反馈，则输入系统的小扰动就能被放大而引发振动，从而使传热得以强化。这种方法的关键是利用小扰动使层流失稳，或使湍流的强度增加。由小扰动引起的流体宏观脉动，包括流体的整体振荡或在流场中形成有序的大涡。

对于工程中最常见的管壳式换热器，流体诱发管束振动的机理包括湍流撞振、旋涡脱落、绕振和喷流交替等。湍流撞振是由湍流的随机压力与速度的波动引起的，可用改变来流的湍流度或管束的排列方式来改变它。而管子两侧旋涡交替脱落会造成阻力和升力的交替变化，从而引发管子振动。当管束中某根管子发生位移后，流场的均匀性被破坏，相邻管的力平衡也被破坏，引起绕振。喷流交替振动则是由管排后面喷流耦合和失耦而产生的振动。

当气体流过换热器管束时，可能产生一个既垂直于管子，又垂直于流动方向的驻波，该驻波将在换热器内壁之间穿过管束来回反射；同时流体横掠管束时在管子后面会形成旋涡分离，在驻波来回反射的过程中旋涡分离的能量不断输入，当频率耦合时将引起共振。共振的声波能使沿圆柱体跨度方向的旋涡关联起来。显然声波的频率与管子节距、隔板间距都有关系。

要实现小扰动强化传热，在层流时就需通过小扰动诱发流动失稳，使之形成湍流。在湍流时，先由小扰动诱发流体脉动，并使其固有频率与换热面的固有频率耦合，引起换热面振动。此时如能使脉动频率和旋涡脱落频率耦合，同时与换热器内的声波共振，形成有序大涡，直接冲刷换热面，则能获得最佳的强化传热效果。

最易实现与流体脉动耦合的换热面有弹性盘管、盘旋悬伸管、薄壁波纹管等。此外壳程流体切向进入壳体、切向对冲进入都能诱发流体脉动。这种小扰动强化传热的技术已获得初步成果。黄素逸等将海水冷却器中的部分钛传热管用薄壁波纹管代替，该薄壁波纹管内没有流体流过（即不参与换热的所谓“假管”），其作用是在流体作用下诱发振动，从而使相邻管的传热得以强化，使海水冷却器的传热系数得到提高。这样就可用便宜的不锈钢管代替部分昂贵的钛管，大大降低换热器的制造成本。