國內(nèi)外振動(dòng)強(qiáng)化換熱研究成果回顧

申江，王建民

(天津商業(yè)大學(xué)天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300134)

隨著現(xiàn)代工業(yè)的蓬勃發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人類社會(huì)對(duì)能源的需求量越來越大。近年來，能源問題越來越成為全球各國普遍關(guān)注的問題。而在能源利用領(lǐng)域，換熱器是最常見也是最重要的單元設(shè)備，因此，提高換熱器的換熱效率就顯得尤為重要。

強(qiáng)化換熱技術(shù)是20 世紀(jì)60 年代發(fā)展起來的一種改善換熱性能的技術(shù)。強(qiáng)化傳熱技術(shù)的應(yīng)用不但節(jié)能環(huán)保，而且節(jié)約了投資和運(yùn)營成本［1］。高性能熱力系統(tǒng)的發(fā)展，極大地推動(dòng)了強(qiáng)化換熱技術(shù)的發(fā)展。經(jīng)過各國學(xué)者的不懈努力，已經(jīng)提出了許多的強(qiáng)化換熱的技術(shù)方法。例如:將換熱表面加工粗糙，擴(kuò)展換熱表面，使用入口漩渦發(fā)生器，靜電場的應(yīng)用以及在換熱管內(nèi)插入一些螺旋紐帶增加流體的湍流度等等［2］。

在工程實(shí)際中換熱壁面振動(dòng)是不可避免的現(xiàn)象，有些是由于設(shè)備在運(yùn)行過程中因動(dòng)力裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)而引起的，有些是由于流體誘導(dǎo)引起的。人們很早就已經(jīng)認(rèn)識(shí)到利用振動(dòng)可以強(qiáng)化換熱，早在1923年就有學(xué)者做過關(guān)于靜止流體中振動(dòng)換熱面強(qiáng)化換熱的研究［3］。此后，振動(dòng)作為一種可以強(qiáng)化換熱的方法，被應(yīng)用于大量的實(shí)驗(yàn)研究當(dāng)中，用于探究振動(dòng)對(duì)于換熱面與流體之間的對(duì)流換熱效果的影響作用。相關(guān)文獻(xiàn)表明，自然對(duì)流條件下，換熱壁面振動(dòng)可以使換熱效果提高30% ～2 000%;而強(qiáng)制對(duì)流條件下，可提高20% ～400%［4］。在化工領(lǐng)域，這方面的研究較多，Robert 等［5］實(shí)驗(yàn)研究了空氣流過振動(dòng)加熱管時(shí)的換熱效果，結(jié)果表明換熱系數(shù)隨著振動(dòng)頻率和振幅的增加而增加，與振動(dòng)方向無關(guān)。bergles［6］實(shí)驗(yàn)研究了振動(dòng)換熱面對(duì)池沸騰換熱效果的影響作用，發(fā)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)的振動(dòng)參數(shù)范圍內(nèi)，振動(dòng)使得臨界熱流量提高了8%，但是在非沸騰區(qū)振動(dòng)強(qiáng)化換熱的效果不明顯，因此作者認(rèn)為這一強(qiáng)化換熱技術(shù)不適用于工業(yè)領(lǐng)域。Carr［7］采用蒸汽發(fā)生器實(shí)驗(yàn)研究了振動(dòng)對(duì)于飽和池沸騰換熱情況的影響效果，實(shí)驗(yàn)表明在低頻高振幅的振動(dòng)條件下，換熱系數(shù)提高了10%。但是在制冷空調(diào)領(lǐng)域，這方面的研究卻很少。

振動(dòng)強(qiáng)化換熱實(shí)驗(yàn)所采用的振動(dòng)源形式主要包括機(jī)械振動(dòng)和流體誘導(dǎo)振動(dòng)。下面就這兩個(gè)方面分別展開綜述。

1 機(jī)械振動(dòng)強(qiáng)化換熱

由于機(jī)械振動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)比較簡單，并且可以比較方便地調(diào)節(jié)振幅、頻率等參數(shù)，便于研究各個(gè)不同振動(dòng)參數(shù)對(duì)傳熱的強(qiáng)化作用。所以在振動(dòng)強(qiáng)化換熱的實(shí)驗(yàn)中，機(jī)械振動(dòng)是最常用的振動(dòng)源［3］。

早期國外學(xué)者對(duì)于自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流條件下機(jī)械振動(dòng)強(qiáng)化換熱效果進(jìn)行了較為深入的研究。Scanlan［8］實(shí)驗(yàn)研究了流體橫掠平板表面時(shí)，機(jī)械振動(dòng)對(duì)強(qiáng)制對(duì)流換熱的影響效果。實(shí)驗(yàn)采用的流體介質(zhì)是水，實(shí)驗(yàn)中振幅為0 ～0.1 mm，頻率為0 ～600 Hz，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在振動(dòng)條件下，Nu 最大可提高3 倍，與振幅成正比，而且頻率在100 Hz 左右的時(shí)候換熱的強(qiáng)化效果最好。Klaczak［9］實(shí)驗(yàn)研究了機(jī)械振動(dòng)對(duì)于水-水蒸氣兩相傳熱的影響效果，實(shí)驗(yàn)的振動(dòng)系統(tǒng)見圖1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，振動(dòng)對(duì)傳熱的影響效果更多的依賴于振幅，頻率的影響較小，當(dāng)振幅較大時(shí)，振動(dòng)最高可強(qiáng)化傳熱5%;當(dāng)振幅較小而頻率較大時(shí)，振動(dòng)使傳熱惡化，傳熱效果最高降低了20%。

圖1 振動(dòng)系統(tǒng)簡圖Fig.1 The vibration system diagram

多數(shù)學(xué)者的研究方法是讓流體分別橫掠靜止與振動(dòng)的電加熱管或通電金屬絲，比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果。以下的表1、表2 分別列出了自然對(duì)流與強(qiáng)制對(duì)流條件下的振動(dòng)強(qiáng)化換熱的研究情況。

表1 自然對(duì)流條件下的振動(dòng)強(qiáng)化換熱的研究情況Table 1 The research of vibration strengthening heat transfer under the condition of natural convection

表2 強(qiáng)制對(duì)流條件下的振動(dòng)強(qiáng)化換熱的研究情況Table 2 The research of vibration strengthening heat transfer under the condition of forced convection

續(xù)表

由表可知，文獻(xiàn)結(jié)果表明，換熱壁面的振動(dòng)在一定程度上確實(shí)可以強(qiáng)化換熱。在自然對(duì)流或池沸騰系統(tǒng)中，振動(dòng)可使表面換熱系數(shù)提高50% ～1 200%;對(duì)于強(qiáng)制對(duì)流條件時(shí)，可使換熱系數(shù)提高30% ～60%，振動(dòng)強(qiáng)化換熱的程度與振幅和頻率成正比，與振動(dòng)雷諾數(shù)和流動(dòng)雷諾數(shù)有關(guān)，但是不同的文獻(xiàn)的結(jié)論存在分歧，如Cheng 的研究表明流動(dòng)雷諾數(shù)越大，強(qiáng)化效果越好;而Katinas、Leung、Gau 以及Bronfenbrener 等的結(jié)論正好相反?？梢园l(fā)現(xiàn)，在自然對(duì)流條件下振動(dòng)對(duì)于換熱的強(qiáng)化作用與強(qiáng)制對(duì)流條件下比起來要顯著地多，分析原因如下:振動(dòng)可以阻礙熱邊界層和流動(dòng)邊界層的形成，增加貼壁處的流體湍流度，從而強(qiáng)化了換熱;而強(qiáng)制對(duì)流對(duì)換熱的強(qiáng)化也是基于這個(gè)原理，而且在一定程度上已經(jīng)強(qiáng)化了換熱，所以在強(qiáng)制對(duì)流條件下振動(dòng)對(duì)換熱的強(qiáng)化作用不如自然對(duì)流條件下顯著。盡管多數(shù)的文獻(xiàn)都表明振動(dòng)可以強(qiáng)化換熱，但是不同的學(xué)者在實(shí)驗(yàn)時(shí)采用的實(shí)驗(yàn)介質(zhì)、振幅以及頻率等不盡相同，得出的結(jié)果相差較大，難以得出規(guī)律性的結(jié)論，所以還需要作進(jìn)一步的研究。

80 年代后，隨著數(shù)值傳熱學(xué)的飛速發(fā)展以及流體分析類軟件功能的不斷強(qiáng)大，越來越多的研究人員開始對(duì)振動(dòng)強(qiáng)化傳熱進(jìn)行數(shù)值研究。Cheng等［22-24］分別對(duì)垂直和水平振動(dòng)的圓柱外的對(duì)流換熱情況進(jìn)行數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)圓柱水平振動(dòng)時(shí)，換熱系數(shù)最大可增加13%;當(dāng)振動(dòng)頻率接近圓柱的固有頻率時(shí)，換熱系數(shù)增加最大;換熱的強(qiáng)化程度與振幅和頻率成正比，與流體的流動(dòng)雷諾數(shù)成正比。俞接成等［25］運(yùn)用Fluent 動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，采用數(shù)值模擬的方法研究了空氣低速繞流振動(dòng)圓柱的對(duì)流換熱情況，研究結(jié)果表明，在其研究的范圍內(nèi)，壁面振動(dòng)可強(qiáng)化換熱，最大可強(qiáng)化9 倍，換熱的強(qiáng)化隨振幅和頻率的增大而增大。場協(xié)同分析表明，圓柱振動(dòng)強(qiáng)化換熱的原因在于速度場和溫度梯度場之間的協(xié)同程度得到了改善。在相同的振動(dòng)條件(振動(dòng)頻率和振幅)下，雷諾數(shù)越低，振動(dòng)對(duì)換熱的強(qiáng)化效果越好。筆者認(rèn)為，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是，當(dāng)流體的流動(dòng)雷諾數(shù)較大時(shí)，流體的湍流度較大，貼壁處熱邊界層較薄，換熱效果本身比較理想，所以振動(dòng)對(duì)其強(qiáng)化作用就不那么明顯;而當(dāng)流動(dòng)雷諾數(shù)較小時(shí)，圓柱振動(dòng)可以有效地改善速度場和溫度梯度場之間的協(xié)同程度，從而產(chǎn)生較好的強(qiáng)化換熱效果。

近年來我國學(xué)者在這方面也開展了較多的實(shí)驗(yàn)研究。吳宏等［26］對(duì)自然對(duì)流條件下的振動(dòng)強(qiáng)化換熱進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)中采用電鈴諧振器作為振動(dòng)源，并采用紅外熱像儀對(duì)電加熱膜表面的溫度場進(jìn)行測量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比于靜止條件下，自然對(duì)流的換熱系數(shù)最大可提高90.7%，并且換熱系數(shù)隨著振動(dòng)強(qiáng)度的增加而增加;在一定的振動(dòng)強(qiáng)度下，熱流密度越小，換熱強(qiáng)化效果越好。姜波等［27-30］采用Fluent 動(dòng)網(wǎng)格數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法研究了振動(dòng)管外的流動(dòng)與換熱特性。通過數(shù)值模擬得到了振動(dòng)管外流場的速度矢量圖以及場協(xié)同角余弦值，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的吻合性。PIV 實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果表明，振動(dòng)可以使管外近壁區(qū)流體的速度增大，能夠在振動(dòng)方向上管壁的兩側(cè)形成沖刷，從而有效地強(qiáng)化換熱。此外，他們還選用不同管型(橢圓管和圓管)的換熱管進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，振動(dòng)能夠強(qiáng)化傳熱，且其強(qiáng)化的效果隨著頻率與振幅的升高而顯著增強(qiáng)，共振工況下振動(dòng)對(duì)于換熱的強(qiáng)化效果最好;在相同振動(dòng)頻率與振幅下，沿橢圓長軸、圓管徑向及橢圓短軸方向振動(dòng)的換熱性能依次增強(qiáng)，見圖2。還證明了除頻率和振幅等參數(shù)外，管型也是影響換熱性能的重要因素。

冷學(xué)禮等［31］采用場協(xié)同原理分析了振動(dòng)圓管外的對(duì)流換熱特性，研究發(fā)現(xiàn)振動(dòng)圓管外的對(duì)流換熱系數(shù)的分布規(guī)律與場協(xié)同余弦值的分布規(guī)律相同，從而解釋了振動(dòng)強(qiáng)化傳熱的機(jī)理。冷學(xué)禮等［32］設(shè)計(jì)了一套振動(dòng)管與靜止管的對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究系統(tǒng)，研究了流體低速橫掠振動(dòng)圓管的傳熱特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3、圖4。研究表明，流體流過振動(dòng)圓管時(shí)，流速較小時(shí)就可以有較好的換熱效果。振幅和頻率均對(duì)傳熱有較大影響，在低振幅和低頻范圍內(nèi)，振幅越高，頻率越大，換熱效果越好。

圖2 不同管型表面換熱系數(shù)隨振動(dòng)頻率的變化規(guī)律Fig.2 The heat transfer coefficient on different type pipe surface changing with the vibration frequency

圖3 換熱系數(shù)隨頻率的變化規(guī)律Fig.3 The heat transfer coefficient changes with frequency

圖4 換熱系數(shù)隨振幅的變化規(guī)律Fig.4 The heat transfer coefficient changes with amplitude

在核反應(yīng)堆領(lǐng)域，CHF(臨界熱流密度)是一個(gè)非常重要的熱工參數(shù)，它限制著核反應(yīng)堆能量的利用效率。因此，Dae 等［33］實(shí)驗(yàn)研究了機(jī)械振動(dòng)對(duì)于垂直環(huán)形圓管對(duì)流換熱的CHF 的影響作用。實(shí)驗(yàn)在一個(gè)大氣壓力下進(jìn)行，采用電動(dòng)激勵(lì)裝置作為振動(dòng)源。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，振動(dòng)使得流場的紊流度增加，過冷區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)闅馀輩^(qū)，從而增大了換熱量，CHF 提高了16.4%，而且振幅對(duì)于CHF 的強(qiáng)化作用要比頻率更加顯著。

2 流體誘導(dǎo)振動(dòng)強(qiáng)化換熱

機(jī)械振動(dòng)對(duì)于傳熱的強(qiáng)化，與其他的強(qiáng)化換熱技術(shù)比起來效果比較顯著。但是機(jī)械振動(dòng)的實(shí)現(xiàn)通常要借助電機(jī)、偏心裝置等，而這些裝置的運(yùn)行需要消耗大量的能量，而且難以在換熱器內(nèi)布置，因此極大地阻礙了振動(dòng)強(qiáng)化換熱技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用。與機(jī)械振動(dòng)比起來，流體誘導(dǎo)振動(dòng)(flow-induced vibration)不僅可以克服上述缺點(diǎn)，而且還可以有效地利用振動(dòng)強(qiáng)化換熱，又可以不消耗或減少消耗額外的能量。從這個(gè)意義上來看，流體誘導(dǎo)振動(dòng)確實(shí)是一種較為理想的強(qiáng)化換熱技術(shù)，也逐漸引起了廣大學(xué)者的廣泛關(guān)注。

但是，流體誘導(dǎo)振動(dòng)引起的換熱面振動(dòng)過程中，流體與換熱面之間的力學(xué)作用是耦合的，給研究帶來了很大的難度。

2.1 流體誘導(dǎo)振動(dòng)機(jī)理

近年來，國內(nèi)外的學(xué)者對(duì)于流體誘導(dǎo)振動(dòng)的研究取得了較大的進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)流體誘導(dǎo)振動(dòng)的激勵(lì)機(jī)制主要有:漩渦的脫落、流體的脈動(dòng)、湍流度、流體的彈性激振以及聲學(xué)共振等。研究表明，當(dāng)流體在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，由于邊界層的分離會(huì)產(chǎn)生周期性的漩渦脫落，如果漩渦的脫落頻率與系統(tǒng)的固有頻率相耦合的話，持續(xù)的振蕩會(huì)造成換熱器的強(qiáng)迫振動(dòng)，即“流體誘導(dǎo)振動(dòng)”［34-35］。

2.2 流體誘導(dǎo)振動(dòng)強(qiáng)化換熱國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

流體誘導(dǎo)產(chǎn)生的振動(dòng)如果持續(xù)時(shí)間太長的話，會(huì)引起換熱元件的疲勞，直至出現(xiàn)裂縫等損壞現(xiàn)象。因此，早期的學(xué)者對(duì)于流體誘導(dǎo)振動(dòng)的研究主要是集中在其產(chǎn)生的機(jī)理以及如何消除和防范上面，很少有研究流體誘導(dǎo)振動(dòng)對(duì)于傳熱的強(qiáng)化作用的。

Go 等［36-37］開發(fā)了一種新型的帶有微翅片的散熱器，見圖5。當(dāng)空氣從散熱器上面掠過時(shí)，微翅片就會(huì)在氣流的擾動(dòng)下產(chǎn)生流體誘導(dǎo)振動(dòng)，振動(dòng)不僅可以破壞熱邊界層的形成，還可以防止散熱器表面沉積灰塵，極大地減小了換熱熱阻，從而有效地強(qiáng)化了換熱。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)帶有微翅片的散熱器與平板散熱器比起來，散熱效果提高了5.4%～11.5%。

圖5 微翅型散熱器Fig.5 The micro fin type radiator

Kenan 等［2］研究了在換熱器內(nèi)加入錐形環(huán)(圖6)時(shí)流體誘導(dǎo)振動(dòng)對(duì)換熱的強(qiáng)化作用。他們發(fā)現(xiàn)，在換熱器內(nèi)加入錐形環(huán)可使流體在流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生漩渦，漩渦周期性地生成和脫落從而誘發(fā)換熱管的振動(dòng)，振動(dòng)的頻率與錐形環(huán)的間距成正比，與振幅成反比，Nu 隨著Re 的增大而增大，而且換熱量的最大值出現(xiàn)在錐形環(huán)間距最小的時(shí)候。

圖6 錐形環(huán)在換熱管內(nèi)的布置情況Fig.6 The arrangement of conical ring in the heat exchange pipe

Hsieh 等［38］研究了在水平圓管內(nèi)插入紐帶時(shí)湍流發(fā)展段的混合對(duì)流換熱情況。他們發(fā)現(xiàn)，在管內(nèi)插入紐帶時(shí)，可以破壞管內(nèi)的傳熱邊界層，產(chǎn)生流體誘導(dǎo)振動(dòng)，換熱得到增強(qiáng)，與沒有插入紐帶的傳熱管相比，換熱效果提高了2 ～3 倍。Peng 等［39］對(duì)殼管式換熱器做了改進(jìn)，在殼側(cè)加了螺旋隔板，從而改變了流體的速度場，不僅減小了流體誘導(dǎo)振動(dòng)帶來的危害，還強(qiáng)化了換熱。Shi 等［40］對(duì)渦激振動(dòng)強(qiáng)化傳熱進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，研究表明渦激誘導(dǎo)流體振動(dòng)可以有效地強(qiáng)化換熱，最大可強(qiáng)化90.1%。Yu等［41-42］研究了流體誘導(dǎo)振動(dòng)對(duì)傳熱的強(qiáng)化作用，得到了令人鼓舞的結(jié)論，他們發(fā)現(xiàn)，在平板表面加裝微小翅片來增加擾動(dòng)或者在通道內(nèi)加裝渦流發(fā)生器時(shí)可以顯著地提高換熱系數(shù)。

近年來，我國學(xué)者田茂誠［43-49］提出了一種新型的傳熱元件——彈性管束。其具體結(jié)構(gòu)見圖7，該換熱管束突破了傳統(tǒng)換熱器的設(shè)計(jì)模式，使管束可以在流體的沖擊下自由振動(dòng)，有效地強(qiáng)化換熱，而且同時(shí)還可以依靠自身結(jié)構(gòu)通過系統(tǒng)的阻尼將振幅控制下來，使能量不斷耗散，避免了劇烈的振動(dòng)導(dǎo)致元件的損壞。這種傳熱管束還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是不容易產(chǎn)生表面污垢，因此污垢熱阻很小，從而可以實(shí)現(xiàn)復(fù)合強(qiáng)化換熱。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這種新型彈性管束與同Re 下的固定管束相比，換熱效果提高了3 倍以上，強(qiáng)化傳熱效果非常明顯。

劉建清等［50］利用彈性管束對(duì)流體誘導(dǎo)振動(dòng)強(qiáng)化換熱進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)表明，振動(dòng)加強(qiáng)了傳熱管周圍流體的擾動(dòng)，使傳熱管表面無法形成穩(wěn)定的附面層，從而顯著地減小了附面層的導(dǎo)熱熱阻，從而強(qiáng)化了換熱。當(dāng)來流Re ＜400 時(shí)，管外對(duì)流換熱系數(shù)提高3 倍以上。

圖7 彈性管束結(jié)構(gòu)圖Fig.7 The diagram of elastic tube bundle structure

宿艷彩［51-52］采用數(shù)值模擬的方法對(duì)彈性支撐管流體誘導(dǎo)振動(dòng)強(qiáng)化換熱的情況進(jìn)行了研究分析。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)流體的來流速度遠(yuǎn)低于圓柱面的振動(dòng)速度時(shí)，誘導(dǎo)振動(dòng)強(qiáng)化換熱效果明顯，但是強(qiáng)化效果隨著來流速度的增大而逐漸降低;沿圓柱橫向的流體誘導(dǎo)振動(dòng)的頻率和振幅要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于縱向的;當(dāng)流體的來流速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于圓柱面的振動(dòng)速度時(shí)，流體誘導(dǎo)振動(dòng)基本上達(dá)不到強(qiáng)化換熱的效果。

上述文獻(xiàn)研究表明，流體流動(dòng)時(shí)可以誘導(dǎo)換熱器壁面產(chǎn)生振動(dòng)，而振動(dòng)又會(huì)強(qiáng)化流體的擾動(dòng)，產(chǎn)生更多的漩渦，大量漩渦在不斷的產(chǎn)生與脫落的過程中增強(qiáng)了流體的湍流度，減薄了流動(dòng)邊界層和熱邊界層，從而有效地強(qiáng)化了換熱。而且在強(qiáng)化換熱的同時(shí)沒有消耗任何額外的能源，不需要引入復(fù)雜的激發(fā)振動(dòng)的機(jī)構(gòu)裝置，因此，流體誘導(dǎo)振動(dòng)將是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ膹?qiáng)化換熱的技術(shù)。

3 振動(dòng)強(qiáng)化傳熱的機(jī)理研究

多數(shù)學(xué)者在實(shí)驗(yàn)研究振動(dòng)強(qiáng)化換熱的同時(shí)也進(jìn)行了機(jī)理的研究，通過分析各個(gè)影響因素，提出了相關(guān)的擬合關(guān)聯(lián)式，見表3。

表3 振動(dòng)強(qiáng)化換熱擬合關(guān)聯(lián)式Table 3 The fitting correlations of vibration strengthening heat transfer

由表3 可知，影響振動(dòng)強(qiáng)化換熱的因素主要有振幅A、頻率f、普朗特?cái)?shù)Pr 以及振動(dòng)雷諾數(shù)Rev等，這些參數(shù)在合理的取值范圍內(nèi)才能達(dá)到振動(dòng)強(qiáng)化換熱的效果。Deaver 等提出的關(guān)聯(lián)式適用于低頻高振幅的情形下的管外對(duì)流換熱情況。Saxena 等將振動(dòng)與靜止時(shí)管外表面換熱系數(shù)的關(guān)系總結(jié)為比例關(guān)系，姜波等認(rèn)為換熱表面振動(dòng)時(shí)的換熱效果與靜止時(shí)的換熱效果表現(xiàn)為相加關(guān)系時(shí)可能會(huì)更加合理。Dae 提出的關(guān)聯(lián)式主要反映振動(dòng)對(duì)于沸騰過程中臨界熱流密度的強(qiáng)化效果。Kenan 提出的關(guān)聯(lián)式主要適用于在管內(nèi)放置錐形環(huán)來強(qiáng)化流體誘導(dǎo)振動(dòng)時(shí)換熱的強(qiáng)化效果。田茂誠提出的關(guān)聯(lián)式主要用于表征管外流體誘導(dǎo)換熱面振動(dòng)時(shí)對(duì)換熱的強(qiáng)化效果。振動(dòng)強(qiáng)化換熱的機(jī)理比較復(fù)雜，通過分析大量的文獻(xiàn)研究成果，筆者總結(jié)了以下3 點(diǎn):

(1)當(dāng)流體繞流換熱管時(shí)，存在垂直于管壁面方向的速度分量，而且還會(huì)產(chǎn)生渦旋，而當(dāng)管壁振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)使得近壁區(qū)流體的流速加大，漩渦也隨之增大，流速增加使得層流附面層的厚度減小，不僅減小了對(duì)流換熱熱阻，還使得層流向紊流過渡的轉(zhuǎn)折點(diǎn)提前，從而強(qiáng)化了換熱。

(2)振動(dòng)增加了管束近壁區(qū)流體的湍流度，由于湍流度增加，不僅阻礙了熱邊界層和流動(dòng)邊界層的形成，增大了溫度梯度，減小了換熱熱阻，還使得近壁區(qū)流體與遠(yuǎn)壁區(qū)流體質(zhì)量、動(dòng)量和能量交換速度增加，從而強(qiáng)化了換熱。

(3)振動(dòng)改善了換熱壁面處溫度場與速度場之間的協(xié)同程度，對(duì)應(yīng)的Nu 增大，從而強(qiáng)化了換熱。

4 結(jié)束語

振動(dòng)強(qiáng)化換熱早期的研究成果主要集中在國外，我國近幾年也在加強(qiáng)這方面的研究，取得了很多重要的成果，尤其是我國學(xué)者發(fā)明的彈性管束，為流體誘導(dǎo)振動(dòng)強(qiáng)化換熱技術(shù)的發(fā)展指明了方向。

振動(dòng)強(qiáng)化換熱作為一種新型的強(qiáng)化換熱技術(shù)，得到了廣泛的關(guān)注和深入的研究。雖然眾多的文獻(xiàn)研究都表明振動(dòng)可以強(qiáng)化換熱，但是由于研究方法以及實(shí)驗(yàn)采用介質(zhì)的不同導(dǎo)致結(jié)論相差較大，難以形成規(guī)律性的成果。

雖然對(duì)于振動(dòng)強(qiáng)化換熱已有很多學(xué)者進(jìn)行了研究，但是對(duì)于其機(jī)理的研究卻很少，提出的相關(guān)的數(shù)學(xué)模型也很少;另外，由于流體誘導(dǎo)振動(dòng)不需要消耗外部能源卻能顯著地強(qiáng)化換熱，是一項(xiàng)非常有前景的強(qiáng)化換熱技術(shù)，今后應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)這些方面的研究。

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