利用自然对流增强封闭腔内流体流动与混合的装置及方法
阅读说明：本技术 利用自然对流增强封闭腔内流体流动与混合的装置及方法 (Device and method for enhancing fluid flowing and mixing in closed cavity by utilizing natural convection ) 是由 聂冰川 徐丰 邵禹韬 于 2021-06-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种利用自然对流增强封闭腔内流体流动与混合的装置及方法,装置包括：围成腔体的侧壁,在相对的两面侧壁上,分别交替布置有冷却区和加热区,在水平方向,一面侧壁上的冷却区与另一面侧壁上的加热区相对应,一面侧壁上的加热区与另一面侧壁上的冷却区相对应。加热区形成向上的由热流体构成的边界层流动,冷却区形成向下的由冷流体构成的边界层流动,向上与向下的边界层流动形成两种典型的反向流动：迎面撞击流动和背向流动。本发明可实现整个腔体边界层区域和中心区域流体的充分流动与混合及可调。无需在腔体内加入额外装置,腔体的密封和强度要求可以得到很好的满足,且流动由斜压驱动无启动流动的温差阈值要求。(The invention discloses a device and a method for enhancing fluid flowing and mixing in a closed cavity by utilizing natural convection, wherein the device comprises: the side wall of the cavity is enclosed, cooling zones and heating zones are alternately arranged on the two opposite side walls respectively, the cooling zone on one side wall corresponds to the heating zone on the other side wall in the horizontal direction, and the heating zone on one side wall corresponds to the cooling zone on the other side wall. The heating zone forms an upward boundary layer flow composed of hot fluid, the cooling zone forms a downward boundary layer flow composed of cold fluid, and the upward and downward boundary layer flows form two typical reverse flows: head-on impinging flow and back-to-back flow. The invention can realize the full flowing and mixing and adjustment of the fluid in the boundary layer area and the central area of the whole cavity. The additional device does not need to be added into the cavity, the sealing and strength requirements of the cavity can be well met, and the flow is driven by oblique pressure without the requirement of the temperature difference threshold of starting flow.)
技术领域
本发明涉及一种利用侧壁上反向流动的自然对流增强腔内流体流动与混合的装置及方法，属于流体力学，涉及了传热学、工程热物理、材料学、生物制药等领域。
背景技术
当温度引起流体密度空间不均匀时，流体将受到浮力作用而产生流动，这类流动属于典型的自然对流。流动所伴随的热量输运(也称为热对流)是热量传递的三种基本形式之一。自然对流的主要控制参数包括：瑞利数、普朗特数、几何结构以及加热条件的影响。在不同的参数工况下，自然对流将具有不同的流动和传热特性。
自然对流在一方面可以通过流动来传热，在另一方面可以通过热来诱导流动实现流体的流动与混合。当前大量科技工作者对不同几何结构上的自然对流的传热特性进行研究，利用自然对流的传热特性，设计出了大量性能优良的散热装置，在航空、航天、化工、建材、冶金、原子能、石化、机械、医药和环保等诸多领域得到了广泛的应用。然而，对自然对流增强流体流动和混合的相关研究与应用则显得滞后。
常见的增强流体流动与混合的措施主要包括：引入机械搅拌或泵装置，在系统中注入/抽吸流体和晃荡方式。这对密封性要求高的腔体存在挑战，同时容易在腔壁开孔与焊接处引起应力集中。自然对流增强流体流动与混合本质上利用壁面的导热性质，无需对腔体壁面结构进行开孔处理，可有效避免上述问题。同时，由于自然对流发展于壁面，能够消除靠近壁面的流动死区。另外，还可以通过控制加热条件或瑞利数等，实现对腔内流体流动与混合的可控。
发明内容
本发明的目的在于针对腔内流体流动与混合措施的不足，提供一种利用侧壁上反向流动的自然对流增强腔内流体流动与混合的装置及方法。
一种利用自然对流增强封闭腔内流体流动与混合的方法，包括以下步骤：在装有流体的封闭腔体的相对两侧设置交替分布的加热区与冷却区，使得在加热区形成向上的由热流体构成的边界层流动，在冷却区形成向下的由冷流体构成的边界层流动，向上与向下的边界层流动形成两种典型的反向流动：迎面撞击流动和背向流动，迎面撞击流动在加热区与冷却区交界处产生远离壁面的射流，背向流动在加热区与冷却区交界处产生指向壁面的入侵流；在水平方向，一侧远离壁面的射流与另一侧指向壁面的入侵流相对应，在射流的惯性和入浸流压差的驱动下带动腔体内中心区的流体流动，从而增强腔体内边壁和中心区流体的流动与混合；通过调整加热区的发热量和冷却区冷却流体的温度来控制腔体内流体流动的强弱，冷却区依靠温差自动调整吸热量实现腔体内总热量的平衡。
一种利用自然对流增强封闭腔内流体流动与混合的装置，包括围成腔体1的侧壁，在相对的两面侧壁上，分别交替布置有冷却区2和加热区3，在水平方向，一面侧壁上的冷却区2与另一面侧壁上的加热区3相对应，一面侧壁上的加热区3与另一面侧壁上的冷却区2相对应。
在水平方向上相对应的加热区与冷却区的尺寸相等。
所述腔体可以是方形的也可以是其他形状。
所述侧壁为竖直或倾斜的，为曲面或平面。
冷却区2和加热区3的数量分别可以是一个或多个。
同一侧壁上加热区与冷却区的尺寸是相等的或不等的。
冷却区2是由导热壁面7与围护结构12构成的封闭的流道，流道内设置进水管4与出水管5。
加热区3是由导热壁面7与围护结构12围成的一个封闭的区域，内部设有电热层10，电热层10与导热壁面7之间设置导热绝缘层9，电热层10的另一侧设置隔热绝缘层11；隔热绝缘层11使得导热绝缘层9与电热层10紧密地贴在导热壁面7上。
电热层10通过电线6与电源连接。
在加热区与冷却区之间设置隔热层8，以保证加热区与冷却区的温差。
电热层10为电热丝，导热壁面7的材料为铜，围护结构12的材料为铝合金，导热绝缘层9的材料为氧化镁，隔热绝缘层11的材料为石棉，隔热层8的材料为石棉板。
本发明的有益效果是：
1、本发明无需在腔体内加入搅拌装置或引入额外的流体，使得腔体封闭条件下实现腔体内流体混合，侧壁结构强度和腔内流体纯净度的要求更易满足；
2、能够同时实现近壁面区域和腔体中心区域的流动与混合，在一定程度上解决了常见增强流动与混合措施在部分区域出现流动死区的问题；
3、通过调整加热区的发热量改变进入腔体的热量，实现对流动与混合强度的可控；同时，冷却区可自动调整吸热量使其等于从加热区进入腔体的热量，最终实现腔体内总热量的平衡；
4、相较于底部加热的自然对流诱导的腔内流动混合而言，侧加热诱导的自然对流由斜压驱动，无启动流动的温差阈值要求。
附图说明
本发明有如下附图：
图1为本发明装置的三维结构示意图。
图2中，a图为加热区在上冷却区在下产生反向自然对流的侧壁结构剖视图，b图为冷却区在上加热区在下产生反向自然对流的侧壁结构剖视图。
图3为反向背向流动边界层流的流线图。
图4为反向迎面流动(迎面撞击流动)边界层流的流线图。
图5为图1中典型截面上实现流动与混合的主要流动路径。
图中：1为腔体；2为冷却区；3为加热区；4为进水管；5为出水管；6为电线；7为导热壁面；8为隔热层；9为导热绝缘层；10为电热层；11为隔热绝缘层；12为围护结构；13表示上升的边界层流；14表示下降的边界层流；15表示射流中的冷流体；16表示射流中的热流体；17射流剪切失稳和浮力下失稳引起的流动涡。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，一种利用自然对流增强封闭腔内流体流动与混合的装置，包括围成腔体1的侧壁，在相对的两面侧壁上，分别交替布置有冷却区2和加热区3，在水平方向，一面侧壁上的冷却区2与另一面侧壁上的加热区3相对应，一面侧壁上的加热区3与另一面侧壁上的冷却区2相对应。
在水平方向上相对应的加热区与冷却区的尺寸相等。所述腔体可以是方形的也可以是其他形状，侧壁可以是竖直的也可以是倾斜的，可以是曲面也可以是平面。侧壁上冷却区2和加热区3的数量分别可以是一个或多个。同一侧壁上加热区与冷却区的尺寸可以是相等的或不等的。一面侧壁上加热区的放热量等于另一面侧壁上加热区的放热量。
如图2所示，冷却区2是由导热壁面7与围护结构12构成的封闭的流道。流道内设置进出水管4与5。恒温的冷却流体在泵的作用下，快速地流过冷却区2的流道。导热壁面7在冷却流体的冲刷下近似于与冷却流体保持相同的温度。
加热区3由导热壁面7与围护结构12围成一个封闭的区域，内部设有电热层10。电源通过电线6与电热层10连接。电热层10与导热壁面7之间设置导热绝缘层9，电热层10的另一侧设置隔热绝缘层11。隔热绝缘层11使得导热绝缘层9与电热层10紧密地贴在导热壁面7上，且电热层10产生的绝大部分热量通过导热绝缘层9和导热壁面7进入到腔体1内。
电热层10为电热丝，导热绝缘层9由导热绝缘材料制成，隔热层11由绝热绝缘材料制成，电流加热电热丝，高温的电热丝通过热传导透过导热绝缘层加热导热壁面，加热区的导热壁面近似于等热通量加热条件。
在加热区与冷却区之间设置隔热层8，以保证加热区与冷却区的温差。交替布置在侧壁上的加热区与冷却区，根据其相对位置，存在两种情况：加热区在上冷却区在下，如图2中的(a)图；冷却区在上加热区在下，如图2中的(b)图。加热区附近的流体受热向上运动，冷却区附近的流体受冷向下流动。
导热壁面7的材料为铜，围护结构12的材料为铝合金，导热绝缘层9的材料为氧化镁，隔热绝缘层11的材料为石棉，隔热层8的材料为石棉板。
如图3所示，加热区在上冷却区在下的区域在壁面上形成背向流动的边界层流。它不断从腔体中心区域卷吸流体进入边界层流中。在加热区与冷却区的交界处形成低压区，该处卷入流体的能力较其他地方更强。
如图4所示，冷却区在上加热区在下的区域在壁面上形成反向迎面流动的边界层流。冷的边界层流体和热的边界层流体在加热区与冷却区的交界处撞击形成高压区，流体最终从壁面泄出形成射流进入到腔体中心区域。射流在剪切效应下本身会流动失稳形成摆动。同时，射流中冷的流体位于热的流体上部也容易发生垂向失稳。两种失稳都会增强腔内的流动与混合。流动失稳包括两类失稳：Rayleigh-Taylor浮力,K-H剪切失稳。
如图5所示，在相对的两个侧壁上都交替地布置加热区与冷却区，且在两个侧壁形成了错位。一侧的射流正好对应另一侧的冷却区与加热区交界处的卷吸流，两者形成正向反馈，使得射流能够穿透整个腔体。
在加热区形成向上的由热流体构成的边界层流动，在冷却区形成向下的由冷流体构成的边界层流动；向上与向下的边界层流动形成两种典型的反向流动：迎面撞击流动和背向流动；迎面撞击流动使得流体从壁面泄出形成射流，射流上层流体的温度低于下层流体的温度，流体因为热不稳定而失稳，同时射流在剪切效应下本身也会失稳摆动，这进一步增强流动与混合；背向流动的流体卷吸流体进入流动边界层；一侧的射流与另一侧的卷吸流形成正向反馈，射流能够穿透腔体进入到对面的反向流动诱导的卷吸流中，使得两侧壁面的自然对流形成正向反馈。
由上述分析可以看出，本发明通过以下流动特征增强了腔内的流体流动混合：边界层发展过程中的卷吸，冷热边界层在加热区与冷却区交界面处的迎面撞击，射流在穿透腔体中心区域，射流的剪切效应和浮力作用下的失稳。上述流动特征可以使得腔体中心区域和边界区域流体得到很好的流动与混合。
冷却区的吸热量取决于腔内流体与所通的冷却流体的温差。当加热区发热量大时，腔内流体温度高，与冷却区所通冷却流体温差大，从而从冷却区出去的热量增大。反之，则从冷却区出去的热量减少。最终可实现冷却区吸热量等于加热区进入腔体的热量，实现腔体内总热量的平衡。通过对加热区的发热量和冷却区冷却流体温度的调节，可以实现腔内流体流动强弱的主动控制。
本发明还可以保证腔体壁面的完整性和光滑，使得腔体可以全封闭承受高压，腔内流体纯净度都能够得到满足。同时，冷却区吸收的热量是随着导热壁两侧流体的温差自动变化的，因此，冷却区可自动调整吸热量使其等于从加热区进入腔体的热量，最终实现腔体内总热量的平衡。在另一方面，相较于底部加热的自然对流诱导的腔内流动混合而言，侧加热诱导的自然对流由斜压驱动，无启动流动的温差阈值要求。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的实质和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范围。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
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