球形颗粒在超临界水中自然对流传热特性研究

超临界水流化床反应器可以有效气化湿生物质并且高效产氢。超临界水流化床反应器工作的表观流速比较低,颗粒与流体之间的自然对流换热是主要的传热方式.本文通过Boussiesq模型和真实物性流体模型模拟研究了层流条件下单颗粒与超临界水在拟临界点附近的自然对流换热.由于物性变化的影响,颗粒表面附近呈现高速度梯度、高表面涡量和高温度梯度的现象。临界水导热系数和比热的变化对拟临界区的自然对流传热起主导作用,Grashof数和平均Nusselt数在对数坐标下为线性关系。     

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。     

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.     

超临界流体传热综述

超临界流体是温度和压力均高于临界点的流体,在临界点附近物体的粘性、密度、比热以及其它一些性质变化非常剧烈,处于超临界状态时物质的气液两相性质非常接近,这种特殊的物性使得超临界流体在诸多领域有着非常广泛的应用。总结了以前国内外学者对于超临界流体传热的研究,主要集中于CO2和水的实验研究,由众多实验表明换热恶化容易发生在赝临界点附近、高热流密度、低质量流量和向上流动的情况下,换热系数的峰值也出现在赝临界点附近,并随压力和温度的变化会有所改变。还对提出的一系列关联式进行比较和分析。     

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.     

超临界压力下低温甲烷在螺旋管内传热数值研究

为揭示超临界LNG螺旋管汽化器的传热机理,应用雷诺应力模型,在等壁温条件下,对超临界压力低温甲烷在螺旋管内流动与传热特性进行了数值研究。研究结果表明,当主流体温度小于准临界温度,浮升力是造成管截面内流体温度分布不均的主要原因。反之,由于离心力的作用,较低温流体出现在管截面外侧区域。当主流体温度小于和接近准临界温度时,浮升力可明显提高换热系数,在准临界点处换热系数出现峰值,且压力对其有一定影响。     

垂直上升内螺纹管内超临界压力水的传热特性研究

对垂直上升?1.? mm六头内螺纹管内超临界压力水的传热特性进行了比较系统的实验研究.试验参数范围,压力p=22.～29. MPa,管内质量流速G=650～1200 kg/(m2·s),内壁热流密度q=200～660 kW/m2.根据试验结果,细致地分析了质量流速和压力对超临界水传热特性的影响,并探讨了大比热容区传热强化和传热恶化的发生机理.通过与亚临界压力下传热特性的比较,表明超临界压力下的对流换热不同于亚临界压力下的单相对流换热;超临界压力下的传热存在三种模式: (1)正常传热;(2)传热恶化;(3)强化传热.同时发现,超临界压力下的传热恶化类似于亚临界压力下的膜态沸腾.     

超临界CO2-丙烷混合物管内传热特性数值研究

采用SST k-w湍流模型对超临界CO₂/丙烷混合工质水平管内的传热特性进行数值模拟研究。管径d=4 mm,加热段L₂=800 mm;混合工质浓度配比为100/0、95/5、90/10、85/15、80/20、75/25;质量流速为150～250 kg·m^?2·s^?1;热流密度为30～40 kW·m^?2,入口温度293 K,入口压力7.5～30 MPa。随着丙烷浓度的增加,CO₂/丙烷二元混合工质的临界压力降低,临界温度升高,丙烷浓度从5%增加到25%,换热系数峰值降低6.19%～31.45%,但增加丙烷浓度可提高拟临界温度后的换热效果。P=7.5～8.5 MPa,换热系数有明显峰值;P=20～30 MPa,换热系数变化规律无明显峰值,并随压力的升高而减小。混合工质的换热系数随质量流速的增大而增大。同一流体温度所对应的换热系数,随着热流密度的增加而减小。     

超临界CO2-丙烷混合物管内传热特性数值研究

采用SST k-w湍流模型对超临界CO₂/丙烷混合工质水平管内的传热特性进行数值模拟研究。管径d=4 mm,加热段L₂=800 mm;混合工质浓度配比为100/0、95/5、90/10、85/15、80/20、75/25;质量流速为150～250 kg·m^?2·s^?1;热流密度为30～40 kW·m^?2,入口温度293 K,入口压力7.5～30 MPa。随着丙烷浓度的增加,CO₂/丙烷二元混合工质的临界压力降低,临界温度升高,丙烷浓度从5%增加到25%,换热系数峰值降低6.19%～31.45%,但增加丙烷浓度可提高拟临界温度后的换热效果。P=7.5～8.5 MPa,换热系数有明显峰值;P=20～30 MPa,换热系数变化规律无明显峰值,并随压力的升高而减小。混合工质的换热系数随质量流速的增大而增大。同一流体温度所对应的换热系数,随着热流密度的增加而减小。     

超临界CO_2在三叶管内换热特性研究

建立了内径为2 mm的三叶管三维模型,使用ANSYS Fluent软件对超临界二氧化碳在三叶管内的对流换热特性进行了研究,分析了流动方向、进口雷诺数、壁面热流密度和冷却压力等因素对局部换热系数的影响,结果表明:在本文研究的范围内,流动方向对超临界二氧化碳在三叶管内局部换热系数的影响较小,可以忽略,进口雷诺数、壁面热流密度和冷却压力对局部换热系数的影响较大;二氧化碳进口雷诺数越高,对应的局部对流换热系数也越高,壁面热流密度的大小对局部换热系数出现峰值位置有较大影响,对其大小影响不大;超临界二氧化碳冷却压力越高,对应的局部对流换热系数的峰值也越大;局部对流换热系数峰值所对应的温度只与冷却压力下的临界温度有关。     

冷却条件下管内超临界压力CO2对流换热研究

本文用数值计算和实验测量结合的实验方法对冷却条件下超临界压力二氧化碳在细圆管内(Din=2 mm)的局部对流换热进行了实验研究.结果表明,冷却条件下超临界二氧化碳局部对流换热系数在流体温度略高于准临界温度时达到峰值.本文还对该过程进行了数值模拟,比较了不同湍流模型的计算结果,根据数值模拟提供的信息分析了影响冷却条件下超临界压力二氧化碳换热的主要因素和物性变化对换热的影响.     

微细管内超临界二氧化碳冷却换热研究

本文对超临界二氧化碳在微细管内冷却对流换热进行数值模拟研究,分析不同流动方向和管径大小对超临界二氧化碳对流换热的影响,考察管内局部流体温度、管壁温度以及无量纲温度分布的变化。湍流模型采用低雷诺数YS模型。研究表明,在LPV范围比较大的截面,超临界二氧化碳局部换热系数达到最大值,同时管内传热受流动方向和管径的影响均较大。     

半周加热内螺纹管内超临界传热的数值模拟

半周受热内螺纹管内流体温度、壁面温度和换热系数存在周向不均匀性,本文建立了流固耦合的传热模型,通过数值模拟在不同q/G (热流密度与质量流速之比)下对比分析了半周和全周加热内螺纹管内超临界水的传热过程。研究发现半周加热内螺纹管强化了超临界流体传热,降低了内壁温度。管内流体的贴壁周向运动加强了冷热侧流体间的热量交换,同时近壁面流体与管中心流体间的传热强度也有所提高。管子几何参数对半周受热内螺纹管换热的影响比全周加热时更显著。     

半周加热光管内超临界水传热特性的数值模拟

采用SSTκ-ω湍流模型,对半周加热光管内超临界水的传热特性进行了数值模拟研究。计算结果表明,半周加热光管内,壁温沿周向呈抛物线型分布,加热侧中点壁温达到峰值,绝热侧中点壁温度达到谷值。半周加热条件下,壁温峰值比全周加热条件下的高,但发生传热恶化时的临界热流密度更高.上升流中,浮升力与流向一致,使边界层内工质流速增加,进而减小湍流强度,削弱传热;下降流中,浮升力与流向相反,强化了传热。     

超临界Lennard-Jones流体结构特性分子动力学研究

研究超临界流体在不同压力和温度的结构特征有助于深刻理解并有效利用超临界流体.本文采用分子动力学方法模拟超临界压力、拟临界温度附近流体的结构及密度波动曲线的排列熵,分析状态参数变化的影响.结果表明,定压下,径向分布函数随温度升高,第一峰值位置逐渐向右移动,但右移幅度随着压力偏离临界点距离的增大而减弱,近临界压力时,出现峰值最高点的工况和等温压缩系数的极值点位置一致,压力增大,该现象消失.低压力拟临界点时易出现面积大、相对集中且分布稳定的高/低密度区,无明显嵌套现象.静态结构因子存在一定发散行为,发散的最大值和等温压缩系数极值点所处工况符合.低压力时密度时间序列的波动幅度最大,类周期现象较明显.在分子间势能、等温压缩系数和热运动效应的共同作用下,当压力(P)为1.1倍的临界压力(Pc)时,排列熵在0.99倍的拟临界温度(Tpc)达到最小值,P = 1.3Pc和1.5Pc时,最小排列熵与等温压缩系数的最大值工况点保持一致,压力继续增大,各模拟工况密度和排列熵的波动减弱,流体均匀性增强.     

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CO2竖直管非正常换热及传热机理研究

超临界CO_2在拟临界存在物性突变,作为关键部件换热器可能出现非正常换热。采用ANSYS fluent建立了超临界CO_2换热器单元的数值模型,并与实验值相对比验证了数值模型的正确性。分析了不同范围的质量流量与传热恶化的关系,以无重力流动作对比探究流动方向对传热恶化的影响和传热恶化机理。结果表明:给定热负荷的大小不能直接预测是否出现传热恶化,但发现当传热恶化出现时,随着质量流量升高管壁面局部温差变化更为剧烈,传热恶化更为严重。浮升力改变了速度分布,使得边界层出现了零速度梯度,抑制了湍流的产生和扩散,导致了传热恶化。     

超临界CO2-DME混合物竖直圆管内传热特性数值研究

本文采用RNG k-ε湍流模型对超临界CO₂/DME(二甲醚)二元混合工质在竖直圆管内的传热特性进行了数值模拟研究。管径4 mm,管长为1000 mm;CO₂/DME浓度配比分别为97/3、95/5、92/8、90/10、85/15、以及70/30;质量流速为125~200 kg·m^-2.s^-1;热流密度为15~30 kW.m^-2,入口温度295~308 K,入口压力8~15 MPa。不同浓度配比的混合工质在各自临界压力下应用时,随着DME浓度的增加,换热系数的峰值逐渐减低,但在温度大于310 K时混合工质的换热系数会高于纯CO₂。压力相同时,随着DME浓度的增大,拟临界温度升高,换热系数峰值点也随之向温度升高的方向移动。混合工质的换热系数随质量流速的增大而增大。在拟临界点前,增大热流密度及降低压力对管内传热有利,而在拟临界点之后,换热系数随热流密度的升高以及压力的降低而降低。