余热利用H型翅片受波动性影响的机理研究

本文对余热利用中常用安装有H型翅片的管翅式换热器在波动流动条件下的换热性能和流阻特性进行了数值模拟研究。揭示了非稳态波动流动的不同波动时均速度、波动幅度和波动周期对流动和换热的影响机理。结果表明,在不同时均速度下,Nu数随Re数的变化趋势基本一致,而Eu数具有明显的迟滞现象;在不同波动幅度下,Nu数和Eu数的变化都很大,在Re数的极小值附近尤为明显;在不同波动周期下,Nu数和Eu数在所有Re数范围内均基本相同,影响可以忽略。最终获得了波动流动下换热和阻力计算的关联式。     

垂直矩形通道内混合对流的实验研究

通过实验研究了内置均匀加热板的垂直矩形通道入口段混合对流换热的温度场和阻力特性。实验分别针对同向流动和反向流动两种情况进行了研究,其中Re=329-5565,Gr=9．7×105-7．7×106。通过实验得到了矩形通道内混和对流换热的总体平均Nusselt数和压力损失的变化规律。实验表明固体壁面的导热对总体换热具有非常重要的作用。平均Nusselt数随Re的增加而增加; Re<1000时反向流动的Nusselt数大于同向流动时Nusselt数,Re>1800时二者相差很小。压力损失与Re近似为乘幂关系,且随热流密度变化很小。     

锯齿型通道湍流流动和换热的自维持振荡

采用RNG k-ε湍流模型对锯齿形通道内流动和换热进行了数值模拟。对以时均方程法模拟得到的流场、温度场以及U-V相图、Nu-θ相图进行了分析。研究表明,在本文计算的Re范围内,数值计算结果仍能反映出周期性通道内流动和换热的自维持振荡特性,无量纲速度U,通道平均Nu数随时间作周期性振荡,并且振荡幅度、频率随Re数的增大而增大。     

锯齿型通道流动与换热的自维持振荡实验研究

本文对锯齿型通道内流动与换热的自维持振荡特性进行了实验研究。从可视化实验中观察到,Re300时,流场随时间几乎没有明显的变化;Re300,流动出现了明显的回流现象,且随着Re数增大,回流形成的涡增大,流动产生的涡的位置随时间呈有规律的周期性变化;在恒热流边界条件下,通道上、下壁面温度沿流动方向的变化与数值模拟所得到的Nu数、壁温的变化规律一致。     

过渡流下后向台阶流动与瞬态传热特性研究

为了研究过渡流下后向台阶的流动与瞬态传热特性,建立了二维不可压缩后向台阶流动的数值传热模型,采用非定常数值方式模拟了后向台阶的内部流场,比较了台阶下游底面瞬时努塞尔数Nu和时均努塞尔数Nu_m的分布,分析了台阶下游通道内温度分布规律。结果表明:过渡流下台阶底面Nu数沿着流动方向出现多个峰值,Nu数始终围绕Nu_m数发生波动。Re数为700时,主回流区未出现二次回流,Nu数在主回流区下游才发生波动;Re数为1200时,主回流区出现二次回流,Nu数在主回流区就发生了波动。台阶下游通道内温度沿法向呈阶梯式变化,Re数越大,近底面处的温度变化梯度也越大。     

波纹管管内层流流动和换热规律的实验研究及数值模拟

波纹管是近几年来被广泛采用的一种强化换热元件,对其管内的流动和换热规律进行研究具有十分重要的意义。本文通过实验和数值模拟的方法,对三种不同尺寸(φ=19 mm、25 mm、32 mm)的波纹管层流流动和换热进行了研究,发现存在一个临界的Re数,当Re数小于临界值时波纹管的换热性能不及对应的光管,随着Re数的增加,波纹管换热性能逐渐改善。     

几何因子对波纹通道内稳态流动与换热的影响

采用曲线坐标系下压力与速度耦合SIMPLER算法,数值研究了一种波纹通道内周期性充分发展的稳态层流流动与换热情况,流动Re数的范围为20～500,Pr数为0.7.计算考察了不同Re数、纵宽比γ及纵横比∮对换热与阻力的影响.计算结果表明,Re数、纵宽比γ及纵横比∮较小时流体不出现任何回流;整体Nu数及fRe数随着Re数,纵宽比γ及纵横比∮的增加而增加,换热增强,但同时流动阻力增加.其计算结果可为波纹通道的设计提供参考依据.     

高雷诺数气固湍流射流的直接数值模拟

本文对流动雷诺数 Re=5990的空间发展的气固两相湍流射流进行了直接数值模拟。其中对流场的求解采用具有四阶精度的紧致差分格式,对颗粒场的跟踪采用拉格朗日方法。结果表明,湍流拟序结构逐渐由对称模式发展到非对称模式;较小 Stokes 数的颗粒在流场中均匀分布,较大 Stokes 数的颗粒沿横向没有明显的扩散,而 Stokes 数为 1的量级的颗粒则大量聚集在大涡结构的外围。     

油基钻屑螺纹推进式换热器流动传热特性

对油基钻屑在螺纹推进式换热器内的流动换热过程进行了数值模拟,研究了螺杆转速、油基钻屑雷诺数Re和螺纹截面形状对流动换热的影响。结果表明:随着螺杆转速增加,传热系数、油基钻屑出口温度均增大;同时发现,当雷诺数Re<250时,壳侧Nusselt数随雷诺数Re增大而迅速增大,此后雷诺数对Nusselt数影响较小;Nusselt数随曲率比d_i/D增大而增大。为方便工程设计,利用数值结果给出了油基钻屑的流动换热关系式。     

管道内稀疏颗粒相图像法多参数测量

本文研究了基于单帧单曝光图像的颗粒多参数测量方法,以同时测量包括颗粒相的粒径、速度、浓度和流量等直接反映颗粒相流动特征的参数。由于镜头景深有限,不在景深范围内的颗粒成像将出现离焦模糊现象,且不同粒径大小的颗粒在同一位置被识别的精度不同,因此需要在现有的单帧单曝光法基础上,对拍摄到的模糊颗粒图像进行粒度修正,以获得颗粒的真实粒径和其它参数。采用背光照明方式对8 mm×8 mm方管内水-Al_2O_3颗粒两相流动过程进行图像法测量,对基于模糊图像处理的颗粒相多参数测量方法进行了验证。     

异形管束降膜流动流型及波长的分布规律

采用可视化方法对水的降膜流动过程进行了实验研究,考察了两异形管(蛋形管和滴形管)管间流型及其转变、降膜波长随Re数和管型的分布规律,并与圆管进行了对比分析。实验结果表明:各管的管间流型均随Re数的增大依次呈现滴状流、滴柱状流、柱状流、柱片状流和片状流;相较于圆管,两异形管的各流型更易在较低的Re数下获得,且流型较稳定。随着Re数增加和管间距S的降低,降膜波长呈减小趋势。两异形管的降膜波长较圆管的低,且蛋形管的流型转变Re数最低。     

矩形微通道中流阻特性的实验研究

以工程上常用的66%的乙二醇水溶液作为工质,对几何特性相似而高宽比不同的4种纯铝矩形微通道内的流动特性进行了实验研究,得到了微通道冷板基础性的设计数据。实验测量了Reynolds数在50~500之间的流动阻力系数。实验结果表明:通道高度H与宽度W之比对微通道流阻特性有显著的影响;当Re数小于100时,在实验误差内,流动阻力系数的值近似等于经典理论计算值;随着Re数的增大和高宽比的变化,f的值远大于理论值,这可能是由微通道内部壁面粗糙度效应所导致的。     

侧置三角小翼的管翅式换热器特性研究

通过三维数值模拟,对侧置三角小翼纵向涡发生器的顺排和叉排管翅式换热器的流动和传热特性进行了研究。结果表明:在研究的Re数范围内,采用侧置三角小翼措施后,无论对顺排还是叉排管翅式换热器,其换热增强的比例均大于阻力增大的比例;在低Re数时,采用该强化措施的结构比高Re数时具有更优的换热和阻力综合性能。侧置三角小翼强化换热的内在机理可以归结为改善了温度场和速度场的协同性,即减小了速度和温度梯度间的夹角。     

微圆管内流动凝结换热的实验研究

本文对水平微圆管内凝结两相流流型进行了可视化观察,对流动和换热特性进行了实验研究。实验中只观察到 三种流型:柱塞状流、环状流和毛细泡状流。柱塞状流在质量小流量时才出现,流量较大时,流型以环状流和毛细泡状流 为主。实验的Nu数在某一Re数下具有最大值,而流动凝结的压降随Re数的增大单调增大。     

冰浆流动换热特性的综述及模拟分析

综述冰浆输送过程和在换热器中的流动换热特性研究现状。目前对冰浆流动特性研究主要是为了解决输送冷流体过程中的压降、摩阻系数等问题,输送途径主要是直管、弯管,可控因变量包括含冰率、管道直径、冰浆粘度、流速、Re数等参数。此外,还对冰浆在水平直管中流动情况进行了数值模拟,提出了最值冰浆浓度和第一临界速度、第二临界速度等参数,并推测冰浆流动换热应从三段进行考虑。冰浆在换热器中的流动换热过程与管道输送相比,通道结构更复杂导致阻力损失变大、换热增强、相变程度大,同时还要考虑固体颗粒与流体之间的耦合作用,因此目前的研究主要停留在实验阶段,在实验基础上进行半经验公式的推导。基础性理论研究主要涉及两相流动、颗粒力学和相变潜热三方面。此外,对未来研究方向提出几点建议,尤其是应从微观颗粒受力和晶体结构角度探讨冰浆的流动换热情况,脱离原有单相流体研究方式,冰浆颗粒流动至少分三段研究。     

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。     

非稳态横掠管束周期性充分发展对流换热的数值模拟

本文采用非稳态数学模型对横掠管束的周期性充分发展流动与换热进行了数值模拟。结果显示,在所考虑的参数条件下,Re≥100以后流场和温度场随时间发生振荡,并且振幅随Re增加而增大;进一步增加Re到一定值后,在管束间会有交替出现的涡。计算得到的平均Nusselt数与现有文献中的实验关联式基本是吻合的。平均Nusselt数的计算值随流动方向管间距的增加而增加。     

不同组分天然气在绕管内流动传热特性数值研究

针对目前LNG绕管换热器设计时,考虑不同天然气组分对流动换热性能的影响,采用数值模拟方法分析了不同组分天然气在绕管内流动的传热特征。研究采用6.4MPa的6组不同组分的甲烷和乙烷混合物作为工质,探讨了混合物乙烷组分比重、雷诺数Re、普朗特数Pr对压降和努塞尔数Nu的影响。结果表明:在气态时随着乙烷组分比重的增加,混合物压降随Re数增加幅度变小;而在液态时混合物压降则随着混合物中乙烷组分比重的增加,压降随Re数增加幅度变大。在气态时乙烷组分增大有利于传热,而在液态时乙烷组分增大不利于传热,最后根据模拟结果拟合出适用的Nu公式。     

街道峡谷内污染物扩散的风洞试验与数值分析

街道峡谷是城市地区典型的建筑结构,研究在不同气象条件下汽车尾气等污染物在街道峡谷内流动扩散的规律是近年来研究的热点。本文利用CFD技术对街道峡谷内流动扩散的风洞试验应遵循的相似准则进行了研究,结果表明对所研究结构的建筑模型雷诺数(Re_H)大于临界值3×10~4之后,街道峡谷内流动结构不再发生改变,满足Re数无关性。在此基础上,满足模型与原型的密度弗劳德数(Fr_ρ相等,可以在最大程度上满足流动与扩散的相似条件。以Re数无关和Fr_ρ数相等两个相似条件构建的风洞试验的结果,作为原型数值计算的验证条件,两种研究方法的结果有很好的一致性。     

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。