Helmholtz共振腔脉动流体强化换热的试验研究

　　1·引言

　　当今世界能源危机日益加剧，强化换热成为学者们研究的热点问题，流体脉动对强化换热的影响也引起人们极大的关注。一般认为流体脉动可以破坏热边界层，进而改变热阻以达到强化换热的目的。能够使流体产生脉动的措施有很多，如利用往复泵、稳流泵加装机械脉动部件等。本课题的创新之处在于设计制造了可以灵活改变结构的Helmholtz共振腔，并用于强化换热。由于腔体特殊的结构，利用流体动力学不稳定性，在不外加动力的情况下就可以使通过腔室的连续流体产生脉动，并且可以通过改变腔体结构来达到调节脉动特性参数的目的。

　　2·共振腔设计

　　当一定参数的流体流过Helmholtz共振腔，流束中不稳定扰动波在穿过腔室剪切层时，由于剪切层是不稳定的，剪切层对扰动波有选择放大作用，形成涡环结构。剪切流动中涡环与下游碰撞壁撞击在碰撞区产生压力扰动波并向上游反射，在上游剪切层分离处诱发新的扰动产生，当新扰动与原扰动频率匹配且具有合适的相位关系时射流上游就不断地周期性激励，其固有波形受到调制，Helmholtz共振腔内就产生流体自激振动并在下喷嘴出口形成脉冲射流[1~3]。这种具有一定频率脉动流导致壁面处旋涡的大量产生，从而增加了流体的掺混，破坏换热器的流动边界层的发展，保证壁面处始终处于较好的传热温差状态，从而强化换热[4]。本课题运用流体网络的水电比拟理论的相关知识，采用等效电路对Helmholtz共振腔进行简化，推导出共振腔固有频率的计算公式，然后讨论共振腔发生谐振的条件，最后设计了共振腔。

　　根据相关文献[5]，我们设计共振腔的简图，并将其简化为等效线路，见图1。

　　根据水电比拟的流体网络理论，在Helmholtz共振腔的进口和出口，由于流体速度很高，所以应该同时考虑出现流阻和流感，因而在等效线路图中，有两个不同的流阻和两个不同的流感。由对应的等效线路图，可以列出流量和压力的关系方程如下：

　　由上述求解方法可以看出，Helmholtz共振腔的固有频率完全由腔室本身的有关参数决定，它是Helmholtz共振腔固有的性质，只有在外加作用力的频率与Helmholtz共振腔的固有频率相等或成整数倍时，谐振才能发生。因此在实际应用中可以根据使用条件，采取改变参数L和C或改变外加作用力的频率方法使Helmholtz共振腔在其固有频率下产生谐振。

　　根据这个思路，我们将Helmholtz共振腔设计如图2所示。共振腔主要包括前喷嘴、腔室、后喷嘴、碰撞壁四部分。前喷嘴采用普通的渐缩喷嘴，后喷嘴为直管喷嘴，碰撞壁为截锥面形。