槽式集热管管内混合对流换热的数值模拟

本文对均匀与非均匀热流密度条件下、压力10 MPa时的过热水蒸气在抛物槽式太阳能集热管管内充分发展段的混合对流换热过程进行了数值模拟。结果发现,在非均匀热流密度条件下,与纯强制对流换热相比:层流时,混合对流换热的阻力系数增加21%~133%,Nu提高48%~261%;湍流时,混合对流换热的阻力系数增加7%~236%,Nu提高6%~150%。特别是相比于均匀热流边界条件,非均匀热流边界条件下浮升力对流动传热的影响更为显著,传统的对于混合对流的判定标准需要修正。     

多孔扁管内单相对流换热特性的实验研究

对水力直径为0.715 mm的方孔及0.86 mm的圆孔多孔扁管内液相流体对流换热特性进行了实验研究,Re数范围为50~2300,入口温度为5~45℃,加热热流密度为3~9 kW/m~2。实验结果表明,对流换热在Re=2000附近发生过渡;入口段效应明显;在Re数较小时,Nu数明显小于充分发展流动的预测值;热流密度越大、入口温度越高,对流换热强度越低。两种管型扁管的实验值变化趋势一致,但圆孔Nu数高于方孔。基于尺度效应的影响及经典层流换热理论对实验结果进行了修正。     

低温板翅式换热器仿真边界条件的设定

采用数值模拟的方法,研究锯齿形板翅式换热器在给定壁温、给定热流密度、冷热流体逆流布置和沿壁面长度方向变壁温这四种边界条件的传热特性,得到了在雷诺数为169、415、2725和4095的低压路氦气流动中,不同边界条件下翅片通道的局部努赛尔数沿无量纲高度方向上的分布。结果表明:对于相同Re数下,给定热流密度条件下的壁面温度分布趋势与实际工况下逆流布置时最为接近,其中间位置处局部Nu数沿无量纲高度方向上的变化曲线最为逼近,且计算得到的传热因子j值也最为贴近,所以,仿真时采用定热流边界条件能更好地真实模拟冷热流体逆流换热时的情况。     

裂解吸热反应对乙烷超临界传热的影响

本文对圆管内超临界状态下乙烷的湍流传热过程进行了数值模拟,分析了乙烷高温裂解对壁面热流密度、平均温度以及对流换热Nusselt数的影响。计算结果表明:考虑乙烷高温裂解吸热反应,管内平均温度会降低,出口处温度降低可达135 K;壁面热流密度则会显著增加,热出口处可增加近2倍;热裂解反应改善了超临界对流换热效果,Nusselt数可提高约20%。在本文计算条件下,经典的对流换热关系式可准确适用于不考虑热裂解反应的情况,而对于考虑裂解吸热反应的超临界乙烷传热情况则误差较大。     

竖直圆管内超临界航空煤油传热特性实验研究

本文对超临界压力下航空煤油在圆管内(竖直向上流)的对流传热特性进行实验研究,讨论了入口温度及热流密度对于换热的影响规律;并对实验过程中出现的传热及流动不稳定现象进行了分析。结果表明:入口段的传热恶化仅在入口温度较低时发生。3 MPa压力下在高热流密度工况会发生传热恶化现象。传热及流动不稳定现象发生于低压力、低入口温度及高热流密度工况下;不稳定现象发生时伴随着外壁温的剧烈振荡,并发出连续而尖锐的声响。最后,选取Gnielinski公式进行Nu数的计算,与实验结果进行对比分析。     

超临界压力下碳氢燃料在竖直圆管内对流换热实验研究

采用超临界压力碳氢燃料作为冷却剂的再生冷却技术是超声速燃烧冲压发动机的一种重要热防护技术。本文以工程碳氢燃料为工质,在内径2 mm的竖直圆管内进行了不同流向、流量、压力、热流密度条件下的对流换热实验研究。结果表明,在较高进口Re数条件下,相同热流密度时,向上流动和向下流动工况的壁温分布没有明显差别;在较低进口Re条件下,向上流动工况的局部壁温远高于对应向下流动工况,发生传热恶化。研究表明该碳氢燃料的临界Bo*数判据为3×10~(-7)。拟合得到适用于该碳氢燃料的对流换热关联式。     

锯齿型通道流动与换热的自维持振荡实验研究

本文对锯齿型通道内流动与换热的自维持振荡特性进行了实验研究。从可视化实验中观察到,Re300时,流场随时间几乎没有明显的变化;Re300,流动出现了明显的回流现象,且随着Re数增大,回流形成的涡增大,流动产生的涡的位置随时间呈有规律的周期性变化;在恒热流边界条件下,通道上、下壁面温度沿流动方向的变化与数值模拟所得到的Nu数、壁温的变化规律一致。     

内置扭带波纹管内熔盐传热特性数值研究

本文针对熔融盐吸热器传热与流动特性进行了深入的理论研讨与分析,对于太阳能热发电系统中吸热器传热过程中高辐射热流密度的特点,设计并建立内置扭带波纹管物理模型,采用RNG k-ε模型,对内置扭带的波纹管内熔盐传热特性进行数值模拟。分析了集热管轴向速度分布和横向截面二次流速和温度分布,对比了不同管型的集热管内换热效果和阻力系数f。研究结果表明:在入口雷诺数Re为12000~35000的范围内,相比圆管和普通波纹管,Nu均有提高,且随Re的增加呈递增趋势;普通波纹管和内置扭带的波纹管的阻力系数f都随着Re的增加呈递减趋势,相比于圆管,波纹管和内置扭带波纹管的f分别提高了282.3%~354.9%和1154.4%~1339.0%。     

液滴撞击液膜的流热耦合界面追踪方法数值模拟

采用界面追踪方法研究蒸馏过程中液滴撞击高温薄液膜的流动和传热特性，将数值结果与解析解和实验进行比较验证模型的正确性，研究气液界面和热流分布的演变过程.同时，分析液滴We数和无量纲液膜厚度对传热的影响.液滴撞击后的热流密度分布显示：液膜可分为撞击区、过渡区和静态区.由于液滴的撞击作用，强制对流是撞击区内主要的传热机制.增大液滴的韦伯数或减小无量纲液膜厚度会加强热量传递.随着液滴韦伯数的增加，冲击引起的扰动增强，在动量和能量共同作用下，平均热流密度明显增大，撞击区冠状水花越明显.无量纲液膜厚度越小，平均热流密度越大，且有更长的时间保持高热流密度换热.     

离心力场作用下多孔介质中强制对流换热的研究

对离心流化床中空气通过多孔物料层的强制对流换热进行了理论和实验研究。获得了气流和物料间强制对流换热的准则关联式。研究结果表明,在气流速度和温度梯度方向一致的条件下,强制对流换热比通常的边界层强制对流换热有所强化,其换热的准则关联式具有 Nu=CRePr的线性形式。从而验证了改变气流方向和热流密度矢量之间夹角可以强化换热的这一强化传热新原理。     

竖直圆管中超临界压力CO2对流换热实验研究

本文对超临界压力CO2在竖直加热圆管内的对流换热进行了实验研究,比较了不同流向、不同热流密度等对流动和换热的影响。实验结果表明,管内径为2mm时,在低进口Re条件下,由于浮升力影响导致层流向湍流提前转变, 对流换热增强;与向上流动相比,向下流动更易由层流转变为湍流;向下流动的换热要强于向上流动,表明浮升力对换热有很大影响。对于管内径为0．27 mm的微细圆管,当进口Re高于104时,浮升力的影响可以忽略,对流换热系数的变化完全由物性的变化尤其是cp的变化导致。     

非均匀热流边界条件下螺旋管内换热特性

对均匀和非均匀热流边界条件下螺旋管内湍流换热进行了数值模拟,结果表明:当螺旋管表面加热功率一定时,相同Re数下均匀热流边界条件时螺旋管截面周向局部Nu数高于非均匀热流边界条件;非均匀热流边界下充分发展段的平均Nu数小于均匀热流边界;相同的De数下,曲率较小的螺旋管换热系数大。     

超临界压力CO2在水平圆管内流动传热数值分析

采用SST k-w低雷诺数湍流模型对加热条件下超临界压力CO2在内径di=22.14 mm,加热长度Lh=2440 mm水平圆管内三维稳态流动与传热特性进行了数值计算.通过超临界CO2在水平圆管内的流动传热实验数据验证了数值模型的可靠性和准确性.首先,研究了超临界压力CO2在水平圆管内的流动传热特点,基于超临界CO2在类临界温度Tpc处发生类液-类气“相变”的假设,揭示了水平圆管顶母线和底母线区域不同的流动传热行为.然后,分析了热流密度qw和质量流速G对水平圆管内超临界压力CO2流动换热的影响,通过获取流体域内的物性分布、速度分布和湍流分布等详细信息,重点解释了不同热流密度qw和质量流速G下顶母线内壁温度Tw,i分布产生差异的传热机理,分析结果确定了类气膜厚度d、类气膜性质、轴向速度u和湍动能k是影响顶母线壁温分布差异的主要因素.研究结果可以为超临界压力CO2换热装置的优化设计和安全运行提供理论指导.     

管内变密度流体流动与换热的充分发展及解析解

本文提出了圆管内变密度流体流动与换热充分发展的概念和相关假设及其推论.在所提出的概念和假设基础上对理想气体在圆管内的流动与换热进行了解析求解,得到了充分发展时的无量纲速度抛物分布及无量纲温度分布.对圆管内密度随温度变化的氩气的流动与换热数值模拟所获得的无量纲速度分布及无量纲温度分布在入口段后与上述解析解非常吻合,从而验证了在本文的计算条件范围内,圆管内变密度流体充分发展流动与换热的概念及其解析解是合理的.     

竖直圆管中超临界压力CO2在低Re数下对流换热研究

本文对超临界压力CO2自下而上流过内径为2mm的加热圆管,在低进口Re (Rein≈1700)条件下的对流换热进行了数值模拟,并与实验结果进行了比较.结果表明,在进口雷诺数较低(Rein≈1700)而热流密度较高时,由于密度变化导致浮升力对流动产生扰动,流动从层流提前转变为湍流,换热大大增强并导致壁面温度的异常分布.使用LB湍流模型可以较好地模拟此时流动从层流向湍流的过渡现象,而采用层流与湍流相结合的分区计算方法的结果与实验测量值吻合得更好.由于浮升力的影响,径向速度呈M型分布,速度最大值在靠近壁面某处;当热流密度很大时,在管子中心区会出现回流.     

微胶囊化相变悬浮液层流传热强化的参数分析

通过对微胶囊相变悬浮液管内层流恒热流对流换热的数学建模和模拟计算,获得在恒热流加热边界条件下,不同参数匹配时相变糊状区的确切范围以及固液相变两条相界面的数值结果。利用该模型对影响悬浮型固液两相流传热特性的诸多参数进行了比较细致的定量分析,这些参数包括固相体积浓度、斯蒂芬(Ste)数、粒径比、无量纲相变温度区间宽度以及无量纲过冷度等。分析和模拟计算的结果显示微胶囊浓度和斯蒂芬数对管内层流传热具有最重要的影响。     

自然对流对横纹管内湍流对流传热的影响

以熔盐为传热工质,对考虑熔盐自然对流情况下横纹管内的流动传热进行了数值模拟。结果表明:同一Re数,横纹管内下侧Nu数大于上侧Nu数,随着Re数的增加,管内下侧Nu数与上侧Nu数的差值逐渐减小。考虑自然对流影响的横纹管内平均Nu数与不考虑自然对流影响的横纹管内平均Nu数基本相等。强制对流的Re数越低,自然对流对横纹管单侧传热影响越明显。横纹管槽宽越小,槽深越深,自然对流对单侧传热影响相对越小。通过非线性拟合,分别得出横纹管内下侧传热Nudown/Nuave-b、上侧传热Nuup/Nuave-b与浮升力参数Bo的关联式。     

管外包覆多孔介质强化换热的数值研究

本文对管外包覆多孔介质的无限长圆管绕流的流场和温度场进行数值模拟,研究了多孔介质层的无量纲厚度ep,达西数D_a以及雷诺数Re对流动和强制对流换热特性的影响。研究结果表明,管外包覆多孔介质后的强制对流换热效果明显强于光管条件下的效果,换热增强了2.8~5.4倍;壁面平均努塞尔数Nu随e_p和Re的增大而增大,随Da的增大而减小;管壁处的流动阻力系数C_D随ep的增大而增大,随D_a的减小,先增大后减小,当Da小于1×10~(-5)时,阻力系数保持不变。     

高温吸热管内超临界CO2传热特性的数值模拟

研究超临界CO2在高温吸热管内的传热特性是将其应用于聚光太阳能热发电技术中的基础.本文对此进行了数值模拟研究,分析了流体温度、流动方向、系统压力、质量流率和热流密度对对流传热系数和Nu数的影响.结果表明:高温区(800—1050 K)的对流传热系数和Nu数受流动方向和系统压力的影响均很小,但都随着质量流率的增大以及热流密度的减小而明显增大;而随着流体温度的升高,对流传热系数近似线性增大,Nu数则近似线性减小.另外,本文研究发现在高温区可忽略浮升力对传热的影响,而由高热流密度引起的流动加速效应会明显恶化传热.最后,选取了八种管内超临界流体传热关联式与模拟结果进行对比,发现使用基于热物性修正的关联式对高温区传热数据预测的结果优于使用基于无量纲数修正的关联式得到的结果,且其中预测效果最优的关联式得到的计算结果与模拟结果之间的平均绝对相对偏差为8.1%.     

膜片管束通道传热性能的数值研究

以膜片管束通道为研究对象,通过数值模拟分别对通道的入口段和充分发展段建立非稳态数学模型。在不同Re下的通道入口段中不同几何周期的相应截面上设置无量纲速度和无量纲温度的监测点,分析了入口段的换热特性,并且重点探讨了流动与换热进入周期性充分发展段后,改变管束排列方式对换热Nu的影响。结果表明:Re不同时,流动和换热进入充分发展需要经过的几何周期数也不同;进入充分发展段后,Nu随着管间距的减小而逐渐增加,而且对于大间距排列管束,改变圆管竖直方向间距对Nu的产生的影响更显著。