煤炭超临界水流化床制氢反应器内颗粒流动及传热特性的数值分析

煤炭超临界水气化是极具发展前景的高效洁净煤转化利用技术,深入研究反应器内流动和传热过程对反应器的设计及优化具有重要意义.本文基于欧拉-拉格朗日方法,耦合化学反应动力学模型,建立了煤炭超临界水流化床制氢反应器的三维瞬态CFD模型,研究了反应器内流动和传热特性、颗粒及产物组分的分布转化规律,得到了煤炭颗粒表面的对流和辐射换热系数,并从传热学的角度,揭示了颗粒粒径对煤炭转化速率的影响机理。     

格子Boltzmann方法用于模拟超临界CO2自然对流的研究

本文提出一种能够体现流体物性变化的格子Boltzmann模型。首先,通过模拟常压下空腔内的自然对流,检验了模型的可靠性。其次,模拟了超临界压力下CO2的自然对流,讨论了伪临界温度附近急剧的物性变化对流动及传热的影响。模型的提出为深入探讨CO2的流动和传热特性提供了有力工具。本文结果为有效利用超临界CO2提高换热系统的性...     

小管径超临界流体传热恶化特性研究

根据IAPWS公布的IF97临界区比容反推方程重新拟合了超临界区域水的拟临界温度计算公式,进一步提高临界区的水和蒸汽物性计算精度。对水平小管径内超临界水的传热恶化特性进行了实验探究,实验结果表明:当平均流体温度小于拟临界温度时,换热系数出现峰值。平均流体与近壁流体的黏度比达到最大值,换热系数达到峰值;密度比达到最大值,传热恶化已经发生,管内进入拟汽相换热区或发生层流化现象。随着热流密度的增大,换热系数峰值越低;换热系数峰值和传热发生恶化的位置都向低焓值区偏移。     

方腔内Cu/Al2O3水混合纳米流体自然对流的格子Boltzmann模拟

纳米流体作为一种较高的导热介质,广泛应用于各个传热领域.鉴于纳米颗粒导热系数和成本之间的矛盾,本文提出了一种混合纳米流体.为了研究混合纳米流体颗粒间相互作用机理和自然对流换热特性,在考虑颗粒间相互作用力的基础上,利用多尺度技术推导了纳米流体流场和温度场的格子Boltzmann方程,通过耦合流动和温度场的演化方程,建立了Cu/Al2O3水混合纳米流体的格子Boltzmann模型,研究了混合纳米流体颗粒间的相互作用机理和纳米颗粒在腔体内的分布.发现在颗粒间相互作用力中,布朗力远远大于其他作用力,温差驱动力和布朗力对纳米颗粒的分布影响最大.分析了纳米颗粒组分、瑞利数对自然对流换热的影响,对比了混合纳米流体(Cu/Al2O3-水)与单一金属颗粒纳米流体(Al2O3-水)的自然对流换热特性,发现混合纳米流体具有更强的换热特性.     

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。     

方腔内Cu/Al2O3水混合纳米流体自然对流的格子Boltzmann模拟

纳米流体作为一种较高的导热介质, 广泛应用于各个传热领域. 鉴于纳米颗粒导热系数和成本之间的矛盾, 本文提出了一种混合纳米流体. 为了研究混合纳米流体颗粒间相互作用机理和自然对流换热特性, 在考虑颗粒间相互作用力的基础上, 利用多尺度技术推导了纳米流体流场和温度场的格子Boltzmann方程, 通过耦合流动和温度场的演化方程, 建立了Cu/Al₂O₃水混合纳米流体的格子Boltzmann模型, 研究了混合纳米流体颗粒间的相互作用机理和纳米颗粒在腔体内的分布. 发现在颗粒间相互作用力中, 布朗力远远大于其他作用力, 温差驱动力和布朗力对纳米颗粒的分布影响最大. 分析了纳米颗粒组分、瑞利数对自然对流换热的影响, 对比了混合纳米流体(Cu/Al₂O₃-水)与单一金属颗粒纳米流体(Al₂O₃-水)的自然对流换热特性, 发现混合纳米流体具有更强的换热特性.     

变物性参数对微通道内纳米流体强制对流换热的影响

对二维微通道内Al_2O_3-水纳米流体的强制对流换热进行了数值研究。主要研究纳米流体的变热物性参数、纳米粒子体积分数φ和Re数对纳米流体强制对流换热的影响。研究表明:在Re数和纳米颗粒体积分数φ一定时,变热物性参数纳米流体比定热物性参数纳米流体在微通道内的强制对流换热强。在Re数一定时,随着纳米粒子体积分数φ的增加,纳米流体换热性能增强。在纳米粒子体积分数φ一定时,随着Re数的增加,纳米流体的换热能力也随之增加。     

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。     

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.     

基于变物性的格子-玻尔兹曼通量求解器

本文提出一种考虑流体热物性变化的格子-玻尔兹曼通量求解器。该求解器能够捕捉流体物性参数的变化对流动和传热的影响,在保留了传统格子-玻尔兹曼方法固有优势的同时,克服了在网格划分、边界条件处理等方面的缺陷。本文采用该求解器模拟了同心环型腔内由温差驱动的自然对流,讨论了不同温差条件下的流动和传热特性,分析了物性变化的影响。结果表明:常物性解低估了换热设备的传热性能,而且Ra数越大,偏差越显著。     

ZrO2纳米流体的对流换热系数测定及机理浅析

建立了测量圆管内纳米流体流动与传热性能的实验系统,测量了不同粒子浓度的ZrO2/水纳米流体在雷诺数为3 000～18 000范围内的管内对流换热系数以及不同位置处纳米流体对流换热系数的变化情况.实验结果显示,在液体中添加纳米粒子显著增大了液体的管内对流换热系数,例如,在相同雷诺数时,与纯水相比,如果纳米粒子的质量浓度从1.6%增大到4.1%,则纳米流体的对流换热系数增加的比例从1.09增大到1.2.此外,从颗粒的浓度、粒径两方面分析纳米流体强化传热的机理.     

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”.      

亚临界与超临界压力水在管内的对流传热与传质

本文对含有金属腐蚀物杂质的亚临界与超临界压力水在竖直加热圆管内的受迫对流与混合对流传热与传质进行了数值模拟，分析了变物性、浮升力以及压力等因素对管内对流传热与传质的影响。结果表明：浮升力使自下而上流过竖直加热圆管的对流传热和传质增强；在不同的温度条件下，超临界压力水的热物性对传热传质的影响有很大不同。     

超临界水流化床内煤气化过程建模与仿真(1):数学模型及物理场分布规律

煤的超临界水气化是极具发展前景的高效洁净煤炭转化技术.本实验室发明新型超临界水流化床反应器,避免了管式反应器中出现的结焦堵塞现象,实现了高浓度煤浆的高效连续气化.本文对超临界水流化床反应器内的物理过程进行了数学建模,并对宽广的温度参数范围下反应器内温度场、流场、以及颗粒停留时间演变规律等进行数值模拟分析,揭示了反应器内部各物理场的特征,加深了对超临界水流化床内流动传热过程的认识,对反应器的运行与设计具有理论参考价值。     

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。     

超临界水流化床床床层与壁面间传热特性研究

本文基于颗粒动理学理论建立了流化床中的欧拉双流体模型,采用了单气泡沿壁面运动物理模型,从颗粒分布特性、温度分布特性和瞬时传热特性三个方面对超临界水流化床和气固流化床的床层与壁面间传热特性进行了对比研究。研究表明,相同条件下,相对于气固流化床,超临界水流化床中气泡的直径和上升速度都较小;超临界水流化床中床层与壁面间的传热系数与颗粒浓度呈反相关关系,而对于气固流化床则是正相关关系;并且不同于气固流化床,超临界水流化床床层与壁面间传热系数在颗粒浓度较低处对表观速度变化比较敏感。     

基于机器学习的竖直管内超临界压力CO2湍流换热替代模型研究

超临界压力流体在热力发电、航空航天热防护等工业领域具有广泛应用和广阔的应用前景。然而,由于超临界压力流体在准临界温度附近物性变化剧烈,对流换热性能异于常规流体,为系统热设计带来了很大挑战。本文以受浮升力与热加速耦合影响的超临界压力CO_2管内湍流换热问题为例,利用机器学习的高斯过程回归算法和协同克里金法建立两种计算模型,研究多精度数据融合方法在复杂传热问题中的可行性及其特点,以期建立快速、高精度的超临界压力流体湍流换热替代模型。结果表明,在本文数据下上述两种机器学习模型在测试集上预测努谢尔特数的误差不超过5%,优于现有准则关联式预测精度,训练及预测时长最多为分钟量级。高斯过程回归结合协同克里金法的模型只需要48个高精度数据结合1200个低精度数据点即可达到采用96个高精度数据点的高斯过程回归算法预测精度。此外,本文基于机器学习建立的替代模型方法也可以应用于其他换热性能预测问题与热系统设计。     

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.     

含相变微粒流体热对流启动的Galerkin解

采用Bubnov-Galerkin方法对有恒壁温条件下,两平板间夹有含相变颗粒流体的自然对流热启动瑞利数进行了近似解析求解,求出了临界瑞利数Racr和波频数kcr随相变物质浓度,以及在相变温度范围内随加热表面温度的解析关系表达式.从而,为实现该类功能性潜热流体的自然对流传热强化,及其优化控制蓄热过程有理论指导意义.     

竖直管内超临界二氧化碳传热研究

本文对超临界压力下二氧化碳在竖直管内的对流换热进行了模拟研究,分析了超临界二氧化碳在临界点附近的物性变化,以及不同进口温度对换热系数的影响和换热系数与(火积)的关系。结果表明,在临界点附近,物性变化非常剧烈,尤其是比热容的变化最为明显;在较大雷诺数下,二氧化碳进口温度对微细管道换热系数的影响较小;不同截面处换热系数和(火积)的变化趋势一致。