竖直内螺纹管中超临界RP-3航空煤油换热特性数值研究

针对空–油换热器的结构优化应用,开展了竖直内螺纹管中超临界RP-3航空煤油换热特性数值研究。阐述了沿流动方向的传热恶化问题和沿圆周方向螺纹顶部–螺纹底部的非均匀换热机制。通过近壁区流体参数分布情况揭示了传热恶化的原因。讨论了通道截面温度场、流场、湍动能的分布特征,基于螺旋度和二次流强度描述了二次流的影响。探究了运行压力和螺纹数目对换热的影响。实现了换热关联式预测。结果表明：吸热能力下降和湍动能异常减小是第一次传热恶化的原因,类膜态沸腾还会导致第二次传热恶化问题。螺纹结构和变密度耦合产生二次流,螺旋度沿流动方向不断增大,高温区二次流强度与换热状况具有耦合机制。提出的换热关联式有效获得了三种类型内螺纹管中超临界航空煤油的换热预测。     

跨临界Rankine系统中的CO_2吸热特性研究

本文采用数值模拟方法研究在跨临界Rankine系统(SRC)中的超临界CO_2在螺旋管内的吸热特性.分析了节距、浮升力和流体自加速对换热和流动的影响。研究结果表明节距对流体在螺旋管中的流动影响十分显著,随着节距的增加,横截面上由曲率产生的二次流逐渐演化成一个在中心区域的涡流.浮升力和曲率具有相似的作用在横截面上诱发二次流,在两者的共同作用下二次流发生偏转。流体自加速产生的再层化现象严重的抑制了流体换热性能。单一的浮升力或自加速指标不能揭示SCO_2在螺旋管中的换热特性,其换热特性需要综合考虑螺旋管几何结构、流体自加速、浮升力和物性的影响。     

扭曲螺旋管内LNG的传热与流动特性研究

采用数值分析方法,分别对液化天然气(LNG)在扭曲椭圆管和扭曲扁管内发生相变时的传热和流动特性进行了研究,分析了管道长短轴之比和雷诺数对管道换热性能的影响。结果表明,扭曲管道内流体流动产生的二次流强化了管道的传热性能。扭曲椭圆管道的综合性能系数PEC值均大于1,其换热性能优于相同条件下的圆管;扭曲扁管的长短轴之比小于2时,在低雷诺数时的PEC值小于1,此时扭曲扁管的换热性能不如相同条件下的圆管。在管道长短轴之比相同时,相同条件下扭曲椭圆管的综合性能优于扭曲扁管。     

管径对超临界CO_2管内流动换热的影响研究

超临界CO_2管内流动与冷却换热过程中,物性发生剧烈变化,流动换热特性独特,研究管径影响超临界CO_2流动换热性能的内在机理和规律具有一定的实用价值。本文采用能够精确计算超临界CO_2物性的NIST实际气体模型,通过对比不同湍流模型,得到计算超临界CO_2流动换热性能效果最优的计算模型,并利用该计算模型对超临界CO_2管内流动换热过程进行模拟计算。结果发现温度场变化使得超临界CO_2物性发生剧烈变化,引起二次流强度变化,影响了流场分布和换热性能。随着管径的增大,二次流涡中心向管壁移动,且涡扭曲程度增强;格拉晓夫数Gr随管径的增大而迅速增大,表明浮升力对换热的影响增大,因此有效换热系数迅速增大。     

开孔矩形翅片椭圆管流动与换热特性的数值研究

对电站直接空冷系统的基本换热元件矩形翅片椭圆管建立三维物理数学模型,对空气侧流动和传热性能进行数值研究．分析了不同迎面风速下翅片上无扰流孔和开有扰流孔两种情况下矩形翅片表面的局部表面传热系数分布规律,发现椭圆基管后存在的尾流区使得翅片的强化换热作用减弱。比较了扰流孔的尺寸、数目和位置对管外空气侧流动与换热的影响,结果表明:扰流孔尺寸对流动与换热存在明显影响,而扰流孔数目和位置的影响相对比较小．     

超临界压力CO_2水平管内冷却换热机理研究

采用SSTk-ω模型对冷却条件下超临界压力CO_2在水平管内的对流换热进行了数值研究,分析了流体物性、热流密度、直径以及浮升力等对其在拟临界点附近的流动换热特性的影响,并从场协同的角度分析了超临界压力CO_2的传热机理。结果表明:浮力效应使流体在流动截面上出现温度场不对称和二次流现象;下壁面的对流换热系数比上壁面先达到峰值,但换热系数小于上壁面;增大热流密度对换热系数的影响较小但能够使换热系数的峰值向入口段移动;增大热流密度和增大直径能够增强浮力效应对流体换热特性的影响;场协同原理可以解释同一截面处的换热不均匀现象。     

人字形波纹板相变流动及换热特性研究

针对人字形波纹板流道内蒸发换热过程进行了三维建模和数值模拟,研究了不同波纹倾角下人字形波纹板蒸发换热时流动及换热特性,并与单相流换热特性进行了对比。结果表明,蒸发相变对人字形波纹板内流体的流动形态影响不大,波纹倾角对人字形波纹板表面气相体积分数分布影响较大;相同波纹参数下,蒸发换热换热系数比单相流换热换热系数提高20%~100%;随着波纹倾角的增大,蒸发换热增强,波纹倾角为75°时换热性能最优。     

水蒸汽在水平三维微肋管内的凝结换热及阻力特性

本文以水蒸汽为工质对水平三维微肋管内凝结换热及阻力特性进行了实验研究．与光管和二维管相比，在相同条件下，实验中效果最好的T3管全长平均凝结换热系数分别提高了113％～410％和20％～65％，同时，与二维管相比流动阻力增加较小，最大值不超过6．3％．比较另两种管型（T1，T2管）也证明三维管以较小的流阻增加为代价换取了明显的强化效果．     

CC型原表面回热器传热与流动数值模拟

对CC型原表面回热器的主换热面附近流场和温度场进行了三维数值模拟。结果表明,传热的强化程度与流动阻力的大小取决于螺旋型二次流动的强弱,影响机理是螺旋型二次流动强烈影响流体的混合和边界层的发展。针对低雷诺数范围流动,通过比较不同结构尺度和换热面布置时传热和流动特性,对换热表面进行了设计优选。     

非对称蛇形旋转通道换热及流场数值研究

为了深入了解空冷涡轮动叶的冷却机理和冷气流动特性,采用商业软件CFX5对旋转状态下某涡轮动叶的非对称蛇形内冷通道模型中的湍流流动和换热性能进行了数值模拟.得到了各主要换热面的换热系数分布,分析了通道内的流动规律.发现肋片结构与旋转因素引起了通道内的横向二次流,使整体的换热能力得到了增强,其中非对称因素及旋转因素导致了各个壁面的换热性能的差异.     

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.     

超临界R134a水平圆管内冷却换热模拟研究

采用增强壁面函数的标准k-ε模型对超临界R134a水平圆管内冷却换热进行了模拟研究.分析了管内不同截面上流体温度、速度和湍动能的分布情况及对应关系。研究了质量流量和浮升力对换热系数的影响。结果表明,流体速度随着温度的降低而减小,并且最大速度处对应着最高温度和最小湍动能.换热系数随着质量流量的增加而增大,其峰值出现在准临界温度附近。浮升力在似液体区的影响较大,对流体换热起到增强的效果。     

竖直圆管内超临界压力煤油传热特性实验研究

在压力2.5~4 MPa, 质量流量0.7~1.7 g/s, 热流密度0.06~1 MW/m2的实验条件下, 对煤油在内径1 mm, 长度300 mm竖直上升圆管内的流动与传热特性开展了实验研究, 并分析了传热系数随局部油温的变化及不同实验参数对传热的影响.结果表明, 超临界压力下煤油传热主要由自身物性和流动状态决定.超临界压力煤油传热过程大致可以分为3个区域:正常传热区传热强化区和传热恶化区.传热强化主要是湍流掺混增强和近壁面流体在拟临界温度附近物性剧烈变化的综合作用; 传热恶化则是因为壁温及近壁面流体温度远高于拟临界温度, 在近壁面发生了类似于亚临界状态下的“拟膜态沸腾”.      

超临界LNG在错列S形翅片微通道的流动传热特性研究

作为一种新型微通道换热器,印刷电路板式换热器(Printed Circuit Heat Exchanger,PCHE)因比表面积大、耐高压和低温、海上适应性强以及便于模块化等特点,近年来逐渐成为浮式LNG接收站和浮式储存及再气化装置的主低温换热器首选.针对改进后的错列S型翅片,对超临界LNG在翅片通道内的流动传热特性展...     

超临界CO2在烧结多孔圆管中换热的实验研究

本文对超临界压力二氧化碳在烧结多孔介质的竖直圆管中的对流换热进行了实验研究。分析了入口温度超过准临界温度、颗粒直径为0．2-0．28 mm的多孔圆管中,压力、流量、热流密度以及流动方向对超临界二氧化碳对流换热的影响。结果表明,准临界点附近剧烈变物性的影响使得超临界二氧化碳在多孔结构中的对流换热非常复杂。对流换热随着温度远离准临界温度和热流密度的增加不断减弱;流量对对流换热的影响比较复杂。在准临界温度附近,浮升力对换热有一定的影响。     

Investigation on Rijke pipe＇s acoustic characteristics by numerical simulation： modeling the pulsing flow field coupled the inner of pipe with its outer space

Based on the results of fluid dynamics, heat transfer and acoustics, a Computational Fluid Dynamics （CFD） method was utilized to study the acoustic characteristics and self-excited pulsation mechanism inside a Rijke pipe. To avoid settling the irrational boundary conditions of the finite-amplitude standing wave in the Rijke thermo-acoustic system, the simulation modeling in the flow field, which coupled the inner of pipe with its outer space, was carried out to replace the traditional way in form of internal flow field numerical investigations. A hypothesis for heat source in energy equation including the relationship on unsteady heat of air around heat source, oscillation pressure and oscillation velocity was presented. To reflect the essence of Rijke pipe, simulation on self-excited oscillation was conducted by means of its own pulsation of pressure, velocity and temperature. This method can make the convergence process steady and effectively avoid divergence. The physical phenomenon of the self-excited Rijke pipe was analyzed. Moreover, the mechanisms on the Rijke pipe＇s self-excited oscillation were explained. Based on this method, comparative researches on the acoustic characteristic of the Rijke pipe with different size and different shape of nozzle were performed. The simulation results agreed with the experimental data satisfactorily. The results show that this numerical simulation can be used to study the sound pressure of nozzle for the engineering application of Rijke pipes.     

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采用两相流的流动换热理论,建立二维几何模型,运用FLUENT对稳定入口流速下注入气体的铅铋流动段作了模拟。模拟研究注入气体的体积份额或速度改变对压力和铅铋与注入气体之间换热与影响,得到了不同条件下的温度与压力分布。分析结果发现,体积份额减小,铅铋流体的径向温度分布更加均匀,中心温度更低;随着体积份额的减小,铅铋的总压呈现出一种下降的趋势。注入气体速度不同对铅铋整体的换热影响不大;中心处的动压有较大增加,总压改变甚微。     

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%.     

Numerical Investigation of Heat Transfer Characteristics of scCO2 Flowing in a Vertically-Upward Tube with High Mass Flux

In this work, the heat transfer characteristics of supercritical pressure CO₂ in vertical heating tube with 10 mm inner diameter under high mass flux were investigated by using an SST k-ω turbulent model. The influences of inlet temperature, heat flux, mass flux, buoyancy and flow acceleration on the heat transfer of supercritical pressure CO₂ were discussed. Our results show that the buoyancy and flow acceleration effect based on single phase fluid assumption fail to explain the current simulation results. Here, supercritical pseudo-boiling theory is introduced to deal with heat transfer of scCO₂. scCO₂ is treated to have a heterogeneous structure consisting of vapor-like fluid and liquid-like fluid. A physical model of scCO₂ heat transfer in vertical heating tube was established containing a gas-like layer near the wall and a liquid-like fluid layer. Detailed distribution of thermophysical properties and turbulence in radial direction show that scCO₂ heat transfer is greatly affected by the thickness of gas-like film, thermal properties of gas-like film and turbulent kinetic energy in the near-wall region. Buoyancy parameters Bu < 10⁻⁵, Bu* < 5.6 × 10⁻⁷ and flow acceleration parameter K_v < 3 × 10⁻⁶ in this paper, which indicate that buoyancy effect and flow acceleration effect has no influence on heat transfer of scCO₂ under high mass fluxes. This work successfully explains the heat transfer mechanism of supercritical fluid under high mass flux.     

基于拟沸腾理论的超临界CO2管内传热恶化量纲分析

超临界流体广泛应用于工程技术领域,其流动传热特性对工程设计具有重要意义,但是,由于超临界流体的物理微观和宏观行为的机理尚不清晰,所以其异常的流动传热特性并未得到很好的解决.普遍认为超临界流体在分子尺度上可分为类气和类液两种不同的特性,直到最近通过实验在宏观上监测到超临界水类液和类气之间的转变,且这一过程与拟沸腾理论一致,使得问题逐渐变得清晰.本文基于拟沸腾理论对超临界CO2异常流动传热行为进行了研究,在假设类液和类气转换过程不均匀的情况下,从经典的量纲分析和亚临界过冷沸腾理论模型出发,提出了一个适用于超临界流体拟沸腾换热过程的分析方法.通过引入表征类气膜生长速度与流体主流平均流速之比π=(qw·ρ1)/(G·Δi·ρg)和表征近壁区类气膜温度梯度π13=(qw·βpc·di)/λg两个无量纲数,来表征拟沸腾如何导致传热恶化,解释了超临界CO2竖直向上加热流动过程中的异常换热特性,即较大的类气膜生长速度使近壁区快速聚集了较多的高温流体,而较大的类气膜温度梯度使类气膜覆盖在壁面.当核心的冷类液不能充分润湿热壁面时,传热恶化.新无量纲数较好的诠释了超临界流体拟沸腾诱导传热恶化机制,为超临界拟沸腾传热研究提供了理论依据.