宽度交替变化扭旋元件对管内传热特性的影响

在雷诺数Re=200~1 800范围内,利用数值模拟方法对内置宽度交替变化扭旋元件的管内传热性能进行研究,研究结果表明：宽度交替变化扭旋元件能够显著提升努赛尔数Nu和传热性能评价因子η,与光管相比分别提高2.2~5.2倍和1.4~2.2倍;换热管局部努赛尔数沿流向呈速降—缓降—速升—缓降—恒定的变化规律,上升速率随扭旋元件径比的增大而提高,而降低速率与径比关系较小;局部努赛尔数在扭旋元件后方半个元件长度处达到最大值,该长度可作为间隔扭旋元件优选间距;流体在窄扭旋元件以及前后反向扭旋元件作用下,形成主、次螺旋流共存流动,局部流线向中心倾斜,径向流动加强,传热得到强化。     

管内窄边扭旋元件诱导螺旋流的旋流强度分析

为了研究螺旋流在形成、发展及衰减过程中旋流强度的变化规律，采用数值模拟方法对管内置窄边扭旋元件诱导产生的螺旋流进行分析，得到了雷诺数和元件扭率对旋流强度的影响规律。结果表明：流体进入扭旋元件后，在元件两侧形成两个与主螺旋流旋向相反的二次涡流；流体流出扭旋元件后，旋流螺距经历一个由大变小，再由小变大的过程；在螺旋流形成发展阶段，雷诺数对旋流强度影响较小，旋流强度随着元件扭率的增大而迅速提高，由于惯性作用旋流强度在元件出口1/6元件长度处达到最大，该位置与雷诺数和元件扭率无关；整个螺旋流发展阶段旋流强度呈现一种指数变化规律；流体流过旋流强度最大截面后，由于流体粘滞力大于惯性力，旋流强度以近似线性的规律衰减，雷诺数越大衰减速度越慢，扭率对旋流衰减速度影响较小。     

高扭曲比螺旋扁管的管内传热及流阻性能

以水为介质,研究了不同截面短长轴比（B／A=0．27～0．47）和扭曲比（即导程与直径比,S／de=17．19—50．62）的高扭曲比螺旋扁管的管内传热和流阻性能．实验结果表明：高扭曲比螺旋扁管的管内努塞尔数和阻力系数均随B／A值和S／de值的增大而减小,但随B／A值的增加而减小得更快,B／A值对高扭曲比螺旋扁管的管内传热与流阻性能影响更大;在相同雷诺数和普朗特数下,高扭曲比螺旋扁管管内的努塞尔数为光滑管的1．3～2．5倍;阻力系数为光滑管的1．2～1．5倍．文中还通过多元线性回归法对实验数据进行了分析,提出了高扭曲比螺旋扁管管内努塞尔数和阻力系数的准数方程式,其最大误差分别是12％和6％,从而为该类型螺旋扁管换热器的工程设计提供了依据．     

近加热壁面的双空穴对颗粒堆传热性能的影响

为了探究临近加热壁面的双空穴对颗粒堆加热过程的影响,构建了含双空穴的颗粒堆传热模型,并利用搭建的颗粒堆传热性能实验系统对模型进行了验证,研究了双空穴与加热壁面距离和双空穴相对距离的变化对颗粒堆传热性能的影响规律。研究结果表明:随着双空穴与加热壁面距离增加,加热壁面的研究区域热流量先减少后增加,颗粒堆研究区域热阻先增加后减少,空穴影响区域范围和空穴影响区域面积比均先增加后减小,研究区域热流量最小值、颗粒堆研究区域热阻最大值、空穴影响区域范围和空穴影响区域面积比最大值均出现在空穴与加热壁面距离为1倍粒径时。随着双空穴相对距离的增加,加热壁面总热流量增加,颗粒堆热阻减小,但是变化的趋势逐渐平缓,当双空穴相对距离增至8倍粒径时,双空穴之间的相互影响消失。     

矩形涡流发生器结构参数对圆形换热管传热特性的影响

为了提高圆形换热管的换热效率,采用SST(shear-stress transport)k-ω湍流模型(k为湍动能,ω为耗散率),对内置矩形涡流发生器的圆形换热管进行了数值模拟研究,分析了涡流发生器长高比和攻角对流动和传热特性的影响。结果表明：V型排布的4个矩形涡流发生器产生了两对反向旋转的纵向涡流,增强了冷热流体的混合,改善了圆管内的场协同,提高了换热性能;随着涡流发生器长高比的增加,换热管性能比较指标增大,但是增加幅度逐渐减小,当长高比为2时,换热管具有较好的综合性能;随涡流发生器攻角的增大,性能比较指标先增大后减小,当攻角为30°时,多数工况下性能比较指标具有最大值,换热管具有最佳综合性能。可见,矩形涡流发生器的结构参数对换热管的传热特性有巨大影响,研究结果可为换热管的设计和改进提供参考。     

射流管插入深度对螺旋通道传热性能的影响

为了揭示射流管插入深度对螺旋通道传热性能的影响规律,采用数值模拟方法对不同相对插入深度(δ=0～0.625)下通道内流场特性和强化换热特性进行了分析。结果表明：随着δ的增大,射流核心区到达外壁面的距离变短,在射流入射位置处射流管两侧的二次涡范围扩大,流体对上下壁面的冲击作用增强;上、下传热壁面的局部努赛尔数Nu_c随着δ的变化规律基本相同,最佳传热位置(Nu_c最大的位置)随着δ的增大向外壁面靠拢;内壁面的Nu_c在射流管壁内侧范围随着δ的增大而减小,在外侧范围随着δ的增大而增大;射流管插入深度增加对螺旋通道外壁面传热性能提高的效果最为明显;截面努赛尔数Nu_θ随着螺旋角度γ的增大呈现3个变化区域,即入口区域、射流影响区域和出口区域,其中入口区域和出口区域的Nu_θ随着γ的变化保持稳定,但出口区域的Nu_θ比入口区域高19%左右,Nu_θ最大值位于射流入射点下游5°左右的位置;在螺旋角度γ=-15°～45°的范围内射流对传热的影响最大,传热的影响范...     

开缝翅片流动和传热性能的实验研究及数值模拟

对2排X型双向开缝翅片管换热器空气侧的传热及阻力性能进行了实验研究, 在实验的 Re范围内得出了传热和阻力的性能关联式及特性曲线.比较得出,开缝翅片的传热性能远高于平直翅片,与单向开缝翅片相比,X型双向开缝翅片的性能更好.通过数值模拟得出了 X型双向开缝翅片的效率计算曲线.应用场协同原理,对数值模拟得到的气流在2片翅片之间的温度场、速度场、对流换热系数及压降在流动方向上的沿程变化进行了分析.结果表明,开缝翅片有效强化传热的根本原因是翅片开缝后改善了速度和温度梯度的协同性.     

倾角对湍流狭缝冲击射流流动与传热性能的影响

为了研究倾斜冲击射流的流场结构和传热性能,采用SIMPLE算法和RNGk-ε湍流模型,对三种入射角度下的狭缝湍流冲击射流进行了数值模拟。结果表明,由于射流的卷吸以及上封闭板的作用,在流场两侧的流出区域分别形成了一个环形的回流区。当射流倾角减小时,左侧回流区的范围变小,而右侧的回流区增大。流场中的低温区以及冲击表面压力系数最大值和局部Nu最大值的位置也都随着倾角的减小而向流场的左侧偏移。当倾角减小时,冲击表面压力系数最大值降低,局部Nu最大值没有明显的变化,射流与冲击面之间的平均传热率降低。     

叶片数及分流叶片位置对离心泵性能的影响

应用CFD流场数值计算程序对两类不同长叶片、两类不同长短叶片和一类超短叶片配置的离心泵进行数值模拟,讨论叶片数、分流叶片不同径向位置及周向位置对离心泵内流场及整机性能的影响.结果表明,选择合理的叶片数和分流叶片的径向及周向位置,可以有效降低长叶片的负荷,有效提高泵的扬程和效率,避免叶片数过多引起的叶轮进口堵塞和叶轮流道内发生回流和漩涡.当离心泵分流叶片进口直径为叶轮直径的0.68,分流叶片向长叶片背面偏置5°,叶片数为4个长叶片和4个超短叶片时,离心泵的整体性能最佳.     

射流入射角度对螺旋管传热性能的影响

为了揭示射流入射角度对螺旋管内流体传热性能的影响规律,通过数值模拟方法对无量纲曲率δ=0.070 1、无量纲螺距τ=0.143的螺旋管在不同射流入射角度(α=30°～150°)下的强化传热性能进行研究。结果表明,射流的加入显著强化了螺旋管内流体的换热,在射流速比ε=4和雷诺数Re=19 000～26 000范围内,随着射流入射角度的增大,螺旋管壁面的平均努赛尔数Nu_m、周向局部努赛尔数Nu_c(螺旋角θ=4.5π截面)及流动阻力系数f均随之增大;当α=150°时,与单一螺旋管(未加入射流)相比,加入射流后Nu_m提升了13.7%以上,Nu_c提升了70%。在所研究的Re和ε范围内,强化传热综合性能评价因子(PEC)随着α增大而减小,但PEC均大于1(1.08～1.65);当α=30°时,在研究范围内PEC达到最大,其平均值为1.62,是单一螺旋管的1.62倍,表明此时的螺旋管具有良好的综合强化换热效果。     

扭曲扁管管内流动与传热的三维数值研究

利用计算流体力学和数值传热学的方法，对扭曲扁管三维模型的流动与传热性能进行了数值模拟计算和理论分析，研究了管内流体的Re，Pr以及管子几何尺寸对其流动与传热性能的影响，结果表明，扭曲扁管具有较好的强化传热效果，在管内流体具有高Pr低Re数的条件下，其强化传热效果尤为明显。根据数值计算的结果数据，拟合出了努塞德数和阻力系数的准则公式，对扭曲扁管工程实际应用具有一定的参考价值。     

肋对套管内导热和对流耦合换热的影响

数值模拟了带均布纵肋同心套管内的三维导热和对流耦合换热,研究了肋高及肋数对摩擦阻力系数和平均Nusselt数(Nu)的影响.结果表明,肋高和肋数的变化对摩擦阻力系数和平均Nu都有显著影响,平均Nu随着肋数的增加有最大值;入口段Nu随肋高的增大而增大,充分发展段的Nu也随着肋高的增大而增大.     

流体在螺旋管内对流换热和压降性能的数值模拟

分别对螺旋椭圆管和螺旋扁管建模并进行数值模拟和理论分析,对比研究两种螺旋管道的流动换热性能及沿程换热情况,结果表明:层流范围内,螺旋扁管的换热性能好于螺旋椭圆管,但流动阻力较大,根据综合性能评价因子得知螺旋扁管较好;湍流范围内,螺旋椭圆管性能好于螺旋扁管.沿程换热情况表明螺旋管长约为0.5 m时换热效果最佳,同时螺旋管几何尺寸对换热性能也有影响.     

同心套管结构内热式重力热管的传热性能试验

搭建了同心套管结构内热式重力热管的试验装置.测试了自然冷却条件下同心套管结构内热式重力热管的启动性能和传热性能,研究了热管蒸发段的管内蒸发传热系数和冷凝段的管内冷凝传热系数随传热量的变化规律.结果表明,在热管外管保温条件下,热管具有较好的启动性能;在热管外管未保温条件下,热管具有较好的整体均温性;在相同的蒸发段加热热流密度时,外管未保温条件下的管内蒸发换热系数要比外管保温条件下的大;外管保温条件下的管内冷凝换热系数要比外管未保温条件下的大.     

汽车排烟余热回收强化换热管的数值模拟与分析

对汽车排烟余热回收装置的双斜向流线型内肋换热管进行了数值模拟研究,主要分析了内肋的结构特性参数对换热性能的影响。结果表明,流线型内肋在肋长、肋倾角、肋高度和肋间距上存在最优值,分别为38mm,45°,2.5mm和60mm。当Re=1.2×104～5×104时,与同条件下普通圆管相比,努塞尔数Nu可增加54.5%～90.7%,摩擦阻力系数f增加157.6%～204.2%;同时,双斜向流线型内肋管内场协同角从90°减小到80°,换热效果显著提升。运用场协同理论分析,发现管内场协同角在每一个内肋附近都出现骤减现象,并体现其为换热效果增强的主要原因。     

高翅片管传热及阻力特性实验研究

在风洞实验台上对整体轧制的平片高翅片管和波纹高翅片管进行传热实验.在相同风速下,波纹高翅片管的换热效果是平片高翅片管的1.2倍左右.拟合出努塞尔数和雷诺数的准则关系式,波纹高翅片管实验关联式计算值与实验值的平均偏差为5.9%,平片高翅片管实验关联式计算值与实验值的平均偏差为3.8%.在相同风速下,阻力也相应增加1.1倍左右.拟合出阻力系数与雷诺数的准则关系式,波纹高翅片的实验关联式计算值与实验值的平均偏差为6.5%,平片高翅片管的实验关联式计算值与实验值的平均偏差为4.9%.     

场协同原理强化管外降膜吸收传热特性实验研究

对基于场协同原理设计的两种强化传热管型进行了LiBr降膜吸收水蒸气过程的传热实验研究,并与光滑铜管作比较,考查该传热管型在吸收过程中的强化作用.实验测量参数包括;溶液进出口温度、浓度,流量,冷却水进出口温度、流量等.实验结果表明,两种强化传热管型在低雷诺数时对LiBr降膜吸收传热的强化比分别为20%和50%,而且随着雷诺数的增大而增大.利用场协同理论和降液膜流动的波动特性分析了强化降膜吸收过程传热特性的物理机制,发现速度矢量与温度梯度的夹角及降液膜厚度形成的阻力对对流换热有一定影响.     

叶片宽度比对同心双螺旋静态混合器混合性能的影响

同心双螺旋静态混合器是一种新型的静态混合装置,能够实现流体在混合管内的同心反向螺旋流动。为探究同心双螺旋元件内外叶片宽度比对混合效果的影响规律,利用Fluent中多相流混合模型对低雷诺数状态下该混合器内的混合过程进行了数值模拟,研究结果表明：在较低雷诺数下,同心双螺旋静态混合器与对应尺寸的传统Kenics型混合器相比混合效果明显提升,在叶片宽度比e为0~3/2时混合效果提升6.9%~28%;随着内外叶片宽度比的增大,混合效果呈现先增后减的规律,当e=2/3时混合效果最好;在不同的宽度比下,流体的分离强度沿混合管轴向变化规律相同,即在第一个混合元件内分离强度下降缓慢,第二、三个元件内下降迅速,第四个元件内几乎保持不变而处于维持混合状态,说明本文所研究的混合器使用较少的混合元件即可达到较好的混合效果。     

扭曲椭圆管内超临界CO2冷却换热的数值模拟

为了提高CO₂热泵的传热性能,基于Fluent的数值模拟方法研究了不同质量流量下,扭距为100 mm及无扭曲状态下的水平椭圆管管内超临界CO₂冷却换热特性及二次流的变化规律,并针对竖直椭圆管引入局部换热系数和压降,研究了长短轴比b/a及扭距对扭曲管换热性能的影响。结果表明,低质量流量下扭曲椭圆管内浮升力明显大于椭圆管扭曲结构所产生的浮升力,对于低质量流量G<200 kg/(m²·s²)下的超临界CO₂流体,椭圆管具有更大强度的浮升力所造成的二次流,强化传热更明显;对于高质量流量G>200 kg/(m²·s²)下的超临界CO₂流体时,扭曲椭圆管具有更大强度自身结构所产生的周期性二次流来强化传热;管内的传热系数及压降随着扭曲程度及压扁程度的增大而增大。为扭曲椭圆管在CO₂热泵中的应用提供了重要的理论与数据支持。