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.     

细圆管内超临界二氧化碳对流换热的实验研究

本文对超临界压力二氧化碳在内径为1 mm的竖直细圆管中的对流换热进行了实验研究.分析了流体的热流密度、进口温度、质量流量以及流动方向对超临界压力二氧化碳对流换热的影响.实验研究发现,热流密度、进口温度、质量流量以及浮升力对细圆管内对流换热的影响很大,对流换热系数在准临界温度附近存在峰值.在加热的前半段向上流动的对流换热强于向下流动,在加热的后半段则相反.随着热流密度与质量流量比值的不断增加,向上流动与向下流动对流换热强弱转换的交点不断向流体进口方向推移,并且向上流动的壁面温度出现峰值,发生换热恶化,而向下流动则没有出现换热恶化.     

超临界压力下正癸烷在微细圆管内对流换热实验研究

本文对超临界压力下正癸烷在内径为0.95 mm和2 mm竖直微细圆管内对流换热进行了实验研究.入口压力p_(in)=3 MPa和入口雷诺数Re_(in)=4000时,分析了管径、变物性、浮升力和加速对对流换热的影响.结果表明:在所研究的工况范围内,对于0.95 mm内径圆管,浮升力和加速对换热的影响可忽略,对流换热主要受变物性的影响;而对于2mm内径圆管,在高热流密度时,浮升力对正癸烷的对流换热影响很大,向上流动时引起换热恶化,向下流动时引起换热强化,加速对流动换热的影响可忽略.     

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.     

周期性锯齿型通道内流动和换热研究

用非稳态层流模型对锯齿型通道内周期性充分发展流动与换热进行了数值模拟．Re=600时数值结果已发生明显振荡,而从入口段算起的第9、10个几何周期的平均Nu数与用周期性充分发展条件计算得到的平均Nu数吻合良好;在此基础上,计算通道周期长度L与通道垂直高度b的比值及通道倾角α等几何结构尺寸对周期性充分发展流动和换热的影响,计算结果表明,增大α和减小L／b都易促使流动产生涡旋,从而增强换热．     

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。     

混合板式换热器板通道的数值模拟研究

本文采用二维非稳态数学模型、周期性充分发展边界条件对混合板式换热器中的板通道内的流动和换热进行数值模拟。在Re=4407～22035工况范围内,计算了半圆型、半椭圆Ⅰ型和半椭圆Ⅱ型三种不同纵截面形状波纹板通道内的流动和换热性能。数值模拟结果分析表明,波纹通道内的流动会因为流体从凸面流向凹面时产生回流而形成涡,即产生扰动,强化了后面的换热,但同时增大了阻力。并得出半圆型通道换热最强,Nu为椭圆Ⅱ型的1.4倍;但其阻力最大,压降为椭圆Ⅱ型的1.9倍。     

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。     

圆管内插入环状多孔介质的换热性能研究及其场协同分析

本文运用数值计算的方法,以空气为流动介质,研究了圆管内插入环状多孔介质在充分发展的层流区的换热及流动综合性能,并进行了场协同分析.结果表明,在圆管内插入环状多孔介质可以有效提高换热与流动的综合性能,其PEC值随Re数的增大呈现缓慢增大的趋势.多孔材料的孔隙率对综合性能的影响最为明显,孔隙率越高,综合性能越好.     

泡沫金属对含油制冷剂管内流动沸腾换热特性的影响

实验研究了制冷剂-润滑油混合流体在内嵌泡沫金属圆管内流动沸腾的换热特性。泡沫金属为10ppi、90%孔隙率;制冷剂为R410A,润滑油为VG68,油浓度为0～5%。实验结果表明:纯制冷剂工况下,泡沫金属强化流动沸腾换热系数,换热系数提高30%～120%;含油工况下,泡沫金属只强化流动沸腾换热系数20%以下,在低质流密度或者高质流密度的高干度情况下出现恶化换热的情况。润滑油总是恶化制冷剂在内嵌泡沫金属圆管内流动沸腾的换热系数,换热系数最多恶化71%,且在低质流密度下对换热的恶化比在高质流密度工况下严重。     

圆管内插入螺旋片状多孔介质的换热性能及场协同分析

采用数值计算的方法,以水为流动介质,研究了圆管内插入螺旋片状多孔介质在充分发展的层流区的换热及流动综合性能,并与环状和圆柱状多孔介质插入物进行了对比,此外,利用场物理量协同原理对计算结果进行了分析。结果表明,在圆管内插入螺旋片状多孔介质可以有效提高换热与流动的综合性能,其PEC达到3.60～3.95.     

浮升力对管内水过冷流动沸腾传热特性的影响研究

基于已知的2087组水的过冷流动沸腾传热实验数据,通过努塞尔数(Nu)和格拉晓夫数(Gr)的关系探讨了不同流动方向和加热方式下浮升力对过冷流动沸腾传热性能的影响。对上壁面单边加热水平矩形管内过冷流动沸腾传热进行了实验研究。实验结果表明,向上的浮升力阻碍了气泡向流体中的扩散,使得传热恶化。在增加流速、增大压力和减小过冷度的条件下,Nu均随Gr增加,使过冷流动沸腾传热得到强化。     

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。     

厚翅片管内流体流动和传热的数值分析

本文应用Ｐａｔａｎｋａｒ等人［１］研究薄翅片管的湍流模型，对一种工业化的厚翅片管内的流体流动和传热进行了数值分析。计算范围包括了层流和湍流（Ｒｅ＝１０１～１０６），所得计算结果与较窄范围内实验所测的传热与阻力数据相当符合，本计算结果具有较大的推广价值。     

浮升力和流动加速对超临界CO2管内流动传热影响

基于单相流体的概念,超临界流体的异常传热行为已经被研究很多年了,但是关于其流动传热机理仍没有统一的认识.本文通过理论分析和实验研究了超临界二氧化碳在竖直管内向上流动过程中,浮升力和流动加速效应对其流动结构和传热过程的影响.结果表明,没有确凿的实验证据表明超临界流体的异常传热行为是浮升力和流动加速直接导致的,存在的估计浮升力和流动加速效应准则均是在常物性流体的基础上,做了大量假设得出的,不同的研究者采用浮升力和流动加速准则分析超临界流体的传热恶化得出的结论不一致.最后,基于拟沸腾理论分析超临界流体的传热恶化过程,提出超临界沸腾数区分了超临界流体正常传热与恶化传热的转换边界,为超临界流体流动传热研究提供新思路,超临界沸腾数对建立用于不同技术的超临界流体动力循环的最佳运行条件具有重要意义.     

管内层流充分发展段等效热边界层的构造及其场协同分析

本文采用数值计算方法分析了圆管中部分填充多孔介质时在充分发展段的流动与传热特征,并运用场协同原理分析了其强化传热机理.结果表明,采用部分填充多孔介质的方法可以在管内流动充分发展段构造等效热边界层;选择高热导率、高孔隙率的多孔介质以及合理的多孔介质填充率,可以显著强化换热而不引起流动阻力的过度增加.与传统的在流体边界区域采取传热强化措施不同,此时,主要是在流动的中心区域采取传热强化措施.计算表明,性能评价指标PEC数可达6,因此,本文方法对于高效、低阻换热器的设计有一定的借鉴意义.     

管内对流换热的场协同分析及换热强化

导出管内湍流换热Nu与局域时均参数的关系式,将对流换热的场协同理论扩展至湍流换热。分析了管内对流换热的特点,并根据场协同理论提出强化湍流换热的方法,发展了一种新型强化换热管一交叉椭圆管,既适合于层流换热强化也适合于湍流换热强化,其强化传热效果显著而流阻较小。     

锯齿型通道流动和换热的周期性研究

本文对锯齿型通道内流动与换热的周期性进行了数值模拟.在Re=550～700范围内,入口段后的各几何周期的平均Nu数已随时间发生振荡,且随Re数增大,振荡起始位置朝入口方向移动;发生振荡的各几何周期的流场、无量纲温度场虽然在同一时刻不尽相同,但在不同的时刻可以找到近乎相同的流场和温度场,而且各几何周期平均Ⅳu数其振荡幅度基本相同,对时间求平均值后也基本相同,因此仍具有周期性充分发展的一些特性.     

变物性条件下管内加速流时湍流换热与流动过程的数值模拟

对圆管内变物性流体在加速流时考虑了非定常流的影响,采用新的湍流迁移模型,对换热过程和流动特性进行了数值模拟研究。与实验相比较,得到较一致的结果。模拟计算在很大的参量范围内进行,结果标明:努谢尔特数及阻力系数与其准静态时的量值的比值在所定义的无量纲特征时间上有一最小值;在加速流时变物性的影响是导致不稳定过程加大的因素。     

离散发热器件基于(火积)耗散率最小和最高温度最小的构形优化比较

建立了导热基座上圆柱体离散发热器件的三维湍流散热模型,基于构形理论,考虑空气变物性及可压缩性和黏性耗散,研究了器件材料的热导率、热源强度和流体流速对器件最高温度、基于(火积)耗散定义的当量热阻和平均Nu数的影响.结果表明:在总发热功率一定的条件下,以器件最高温度和当量热阻为性能指标进行热设计,均存在最优热源强度分布使得散热性能最优.当各热源强度相同且热源热导率小于基座热导率时,提高热源热导率可明显改善散热性能;将热源热导率沿流动方向从低到高布置可降低器件最高温度,而将热源热导率均匀布置可使当量热阻最小.所得结果可为实际热设计中不同材质和不同发热率的电子器件最优布置提供理论支撑.