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。     

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.     

流动方向对超临界二氧化碳流动传热特性的影响

本文基于拟沸腾理论研究了超临界二氧化碳(sCO₂)在水平和垂直向上管中的流动和传热特性差异.比较了不同质量流量、热流密度和压力下水平管与垂直向上管的流动和换热特性差异.与以往超临界流体的经典单相流体假设不同,本文引入拟沸腾理论来处理sCO₂在两管中的流动和传热,将超临界流体视为多相结构,包括近壁区的类气层和管芯中的类液流体.结果发现,传热方面,在正常传热模式下垂直向上管内壁温和水平管底母线内壁温基本一致.当垂直向上管发生传热恶化时,垂直向上管的壁温峰值会随着超临界沸腾数(SBO)的增大超过对应焓值位置的水平管顶母线内壁温.垂直向上管中SBO区分了正常传热和传热恶化.而在水平管中,当弗劳得数小于100时,SBO主导顶底壁面最大壁温差.相比于垂直向上管,相同压力下的超临界流体在水平管内发生传热恶化需要更高的热流密度和质量流量的比值.流动方面,引起垂直向上管压降斜率增高的机理是孔口收缩效应.主导水平管压降变化的机理是分层效应,并用弗劳得数在水平管中顶底壁温差异与压降之间建立联系.     

缠绕管内超临界甲烷流动换热特性研究

基于变Pr_t模型对超临界甲烷的流动换热特征进行研究,建立不同几何结构参数的管道模型,对比研究管道浮升力、离心力、重力、流动加速对流动换热影响。结果表明,修正Pr_t后的湍流模型将模拟误差由12%以上降至6%以下;换热系数随缠绕直径的减小而增大,减小缠绕管的缠绕直径可以减弱流动加速对传热的恶化作用;换热系数随管道直径的减小而增大,减小管道直径可以增强浮升力对传热的强化作用;重力、浮升力和离心力耦合作用使得绕管内湍动能分布发生向内下侧的偏移。     

缠绕管内超临界甲烷流动换热特性研究

基于变Pr_t模型对超临界甲烷的流动换热特征进行研究,建立不同几何结构参数的管道模型,对比研究管道浮升力、离心力、重力、流动加速对流动换热影响。结果表明,修正Pr_t后的湍流模型将模拟误差由12%以上降至6%以下;换热系数随缠绕直径的减小而增大,减小缠绕管的缠绕直径可以减弱流动加速对传热的恶化作用;换热系数随管道直径的减小而增大,减小管道直径可以增强浮升力对传热的强化作用;重力、浮升力和离心力耦合作用使得绕管内湍动能分布发生向内下侧的偏移。     

超临界压力下RP-3在细圆管内对流换热实验研究

对超临界压力下RP-3在竖直细圆管内对流换热进行了实验研究。分析了变物性,浮升力、热加速等对流动换热的影响,并对已有关联式进行了修正。结果表明:在入口雷诺数4500的实验中,流动换热主要受变物性的影响,浮升力和热加速对流动换热的影响可忽略;在入口雷诺数为2500的实验中,在向上流动和高热流密度时,浮升力引起传热恶化,换热系数明显降低。     

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%.     

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”.      

竖直细圆管中超临界氮的对流换热研究

在内径为2mm的竖直细圆管内进行了向上流动的超临界对流换热实验。通过实验发现,质量流量、进口温度对壁面温度分布以及压降有很大影响;并讨论了换热发生增强和恶化的原因;用浮升力和热加速准则解释了其中的一些热流体现象。并基于FLUENT软件进行了数值计算,与实验结果进行比较,分析表明,数值计算预测壁面温度分布和压降有一定的适用性。     

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。     

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。     

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。     

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。     

竖直直管和螺旋管内超临界CO2换热特性对比研究

采用SST k-ω湍流模型对比研究了在q=20.5~40 kW.m^-2,G=205.92~262.51 kg·m^-2·s^-1,p=8~10 MPa边界条件下超临界CO2在加热竖直直管和螺旋管内的换热差异。结果表明,在相同工况下,由于离心力引起的二次流的作用使得螺旋管相比于直管对换热有一定的强化作用,并能有效地抑制换热恶化的发生。但在拟临界点区域螺旋管的换热系数反而低于直管,主要原因是在拟临界点附近物性对换热起主导作用,离心力对管外侧的强化作用有限,而由于离心力和浮升力的弱化作用使内侧会出现显著的局部换热恶化(湍动能被抑制),从而使得截面上平均换热系数低于直管。     

竖直圆管中超临界压力CO2在低雷诺数下对流换热研究

本文对竖直圆管中超临界压力二氧化碳在低雷诺数条件下的对流换热进行了实验研究和数值模拟。实验中分析了不同入口温度、热流密度以及流动方向等对超临界CO2流动和换热的影响。实验结果与计算结果的比较表明:在热流密度较小的情况下实验结果与数值计算结果基本吻合;而在热流密度较大的情况下,由于浮升力的影响,流动可能提前从层流转变为湍流,使换热强化。