超临界压力下浮升力对航空煤油流动换热影响

通过RNG两方程模型结合增强壁面处理法的数值方法,研究了不同重力加速度下,浮升力对超临界压力下水平圆管内RP-3煤油流动换热的影响。建立、验证了计算模型;分析了RP-3煤油在拟临界区热物性变化,并对流动换热受浮升力影响判别准则的适用性进行了比较分析。结果表明:在拟临界温度附近煤油热物性的剧烈变化导致的浮升力作用下,水平圆管内产生较强的二次流动;二次流动减弱上壁对流换热,增强下壁对流换热,增大下壁摩擦阻力,减小上壁摩擦阻力,流动压力损失略有增大;随着重力加速度的增大,浮升力对换热和流动的影响更加显著;最后分析得出Protopopov准则能较好地描述浮升力对超临界压力煤油换热的影响规律和程度。     

蒸汽冷却带肋矩形通道流动和换热特性数值研究

为了阐明蒸汽冷却带肋矩形通道的换热增强机理,基于三维RANS方程和标准k-ω湍流模型,数值模拟了带肋矩形通道的流场和换热特性,研究了雷诺数、入口宽高比和肋间距对流动和换热特性的影响,进一步分析了努塞尔数与雷诺数、入口宽高比、肋间距之间的关系,由此得出带肋矩形通道的传热关联式。结果表明:肋片的存在破坏了较厚的换热边界层,增强了换热性能。雷诺数增大,平均努塞尔数、综合换热因子均增大,阻力系数小幅上升;宽高比增大,平均努塞尔数、综合换热因子均增大,阻力系数大幅上升;肋间距增大,平均努塞尔数增加,阻力系数先增后减,综合换热因子先减后增。所得传热关联式可为先进燃机蒸汽冷却叶片的设计提供参考。     

三角型通道内流动与换热性能的数值研究

利用数值模拟方法,在不同雷诺数下研究了不同放缩比的三角型通道内周期性充分发展的层流流动和换热特性,分析了放缩比和雷诺数对流动与换热的影响.结果表明,当放缩比越小或越大时,流体都容易产生旋涡;随着雷诺数的增大,流体在各种放缩比通道中的阻力系数都是减小的,而换热速率在不同放缩比时随雷诺数的变化是不同的.     

不同旋转轴对矩形通道内湍流与换热影响研究

对旋转矩形通道(横截面的长宽比b/a=2)内湍流流动和换热进行了大涡数值模拟.基于一种具有二阶精度的不协调混合格式(Adams-Bashforth/Crank-Nicholson)对N-S方程进行离散.采用动态亚格子模型对雷诺应力进行了模拟.湍流雷诺数Reτ和普朗特数Pr分别为400和0.71,旋转数Roτ=0～5.分析了管道横截面内平均速度、平均温度以及湍流强度的分布.结果表明,不同的旋转轴对湍流流动和换热有重要的影响,在高旋转数时,湍流结构在稳定侧和非稳定侧均有明显的变化.在相同旋转数下,与矩形通道绕z轴旋转时相比,系统绕y轴旋转的平均换热系数有所增大.     

旋转矩形通道内湍流流动与换热的直接数值模拟

对旋转矩形通道内的湍流流动和换热进行了直接数值模拟.非稳态N-S方程的空间离散采用二阶中心差分法,时间推进采用二阶显式Adams-Bashforth格式.分析了旋转对通道截面上主流平均速度、截面流速以及截面平均温度的影响,结果表明:在不考虑离心力的作用时,随旋转数的增大,管道截面的平均速度减小,平均湍动能减小,与静止时相比,旋转数为1.5时平均湍动能减小了33%;在考虑离心力的影响时,对于径向旋转轴向出流,平均速度增大,平均湍动能增大,而对于径向旋转轴向入流,结果相反.在旋转数为1.5时,与不考虑浮升力相比,对于径向旋转轴向出流,平均湍动能增大了17%,而对于径向旋转轴向入流,平均湍动能减小了43%.     

水平矩形通道内纵向涡发生器强化换热的研究

研究了在较低壁温（小于120℃）,Re＝800－7000以及空气介质强迫对流的情况下,水平加热片上安装三角形涡发生器的强化换热效果,实际结果表明：纵向涡发生器是强化平板紧凑换热器气侧换热的有效形式,发生器布置的方式、排放以及攻角都会影响强化换热效果。     

空气在三角形波纹通道内湍流流动与换热的数值研究

采用数值模拟的方法,对流动与换热进入周期性充分发展段等壁温边界条件下三角形波纹通道内流体的流动与换热进行二维数值模拟分析,计算考察了雷诺数Re、间距比ε及波纹纵横比γ对流动与换热性能的影响。结果表明:Re数及波纹纵横比γ较小时,不会出现回流;在计算的Re范围内,随着Re的增加,平均努塞尔数Nu呈递增趋势,摩擦阻力系数f呈下降趋势;并拟合出通道不同几何因子下阻力系数f及表面换热特性数Nu随Re变化的关联式。通过对性能参数j/f的分析得出,采用小间距比ε或者小波纹纵横比γ均可以提高换热性能。     

不同相位差正弦型波纹通道内流动与换热特性的数值研究

研究了流体在不同相位差的正弦型波纹通道内周期性充分发展的层流流动特征及强化换热特性,利用数值模拟方法探讨了波纹上、下板相位差对流动与换热的影响.计算结果表明:对于不同相位差的通道在当量直径与入口质量流量分别相同的条件下,流动与换热特性与Re的范围有关,上、下波纹板相位差为0°与180°时通道的阻力较高,相位差为30°时通道的阻力最低,同时也以相位差为0°时通道表面的换热速率最高,相位差为30°时通道表面的换热速率相对较低,即表面换热性能的改善要以压力损失的增大为代价.     

微小矩形通道内气体充分发展层流流动的数值模拟

基于贴壁层概念和已经求得的贴壁层内气体粘性系数变化规律 ,建立了数理模型 ,求解了矩形微小通道内气体流速分布完全发展的层流流动 ,得到了不同截面高宽比 ξ和不同 Knudsen数下的量纲一速度分布和流动阻力因数 ,并对结果进行了分析 ,为进一步研究不可压气流在微小矩形道内的层流换热提供了分析基础     

倾斜矩形肋通道内流动与传热的数值研究

采用数值方法,对恒温加热时矩形肋通道内的流动与传热进行了研究,系统地考察了雷利数、倾角、高宽比、导热壁厚度及导热系数对肋通道内自然对流的影响,揭示了矩形肋通道的换热机理与规律。     

小通道内高参数火箭煤油流动传热特性研究

为探究火箭煤油在实际工程应用中的流动传热特性,在直径为2 mm、壁厚为0.5 mm的水平圆形小通道内进行了实验研究,实验参数为压力25 MPa、热流密度2～35 MW·m^-2、质量流速8 000～48 000 kg·m^-2·s^-1。根据实验结果,讨论了质量流速、工质入口温度和热流密度对火箭煤油流动传热特性的影响,拟合得到了高参数火箭煤油的对流传热关联式,并引入概率密度函数(PDF)来减缓超临界煤油热物性随温度的剧烈变化。结果表明:超临界压力下煤油传热类似单相液体强制对流传热,传热系数沿流向递增;质量流速、入口油温和热流密度的增大均可带来传热强化。低雷诺数下,质量流速越大,入口油温越低,流阻越大;雷诺数大于10⁵时,摩擦阻力系数主要取决于管壁相对粗糙度,与雷诺数无关。新的拟合传热式考虑了各物性参数的影响,可将平均预测偏差降至7.3%;同时,基于PDF的传热模型可以平滑拐点温度附近热物性的不连续快速变化,在388～430℃的范围内有效降低预测误差。     

航空煤油RP-3热裂解结焦流动换热特性实验研究

为了掌握超燃冲压发动机再生式热防护结构中结焦对传热的影响,在压力为3MPa,质量流量为0.5g·s~(-1),热流密度分别为325、365和374kW·m~(-2)的实验条件下,对Φ3mm×0.5mm的高温合金钢管内航空煤油RP-3热裂解结焦过程的流动和换热特性进行了研究,并比较了结焦前后管内对流换热特性的差异。结焦过程中试验件压降出现了突然降低的现象,随着结焦反应的进行,试验件外壁面温度在逐渐降低。分析得知:结焦是不稳定的过程,伴随着结焦产物的沉积与脱落,壁面温度越高结焦速率越快;结焦会在管道内壁形成多孔结构层,当近壁处流体温度接近或高于拟临界温度时,多孔层将会使超临界"拟沸腾"换热得到强化,然而当近壁处流体温度低于"拟沸腾"所需温度时,结焦层的热阻效应使传热发生恶化。     

空气横掠平翅片管的换热与流动数值研究

对平直翅片管外不可压缩空气稳态、层流流动的传热与流动阻力特性进行了三维数值模拟,分析了入口流速以及管离翅片入口段的不同位置对流动与换热的影响,得到了阻力因数以及翅片和管壁面的平均努塞尔特数随雷诺数和管相对位置变化的关系曲线;给出了翅片的温度以及局部努塞尔特数的分布;并以翅片效率为目标函数,获得了6种不同管位置在不同雷诺数下的最佳结构型式,利用本文算法对参考文献的试验数据进行验证,模拟结果与试验数据吻合较好,验证了模型的可靠性和有效性。     

低流阻火箭煤油的超临界压力流动与换热特性

为探索超临界压力下减阻剂对高温火箭煤油的减阻效果,在压力为15 MPa、质量流速为17 000～50 000kg·m-2·s-1(对应常温流速约20～60m·s-1)、流体温度从常温至360℃和热流密度为2.5～30MW·m-2的试验条件下,对火箭煤油和添加减阻剂的低流阻火箭煤油在直径2mm×0.5mm的高温合金钢管内的流动与换热特性进行了研究。研究发现:在本文研究条件下,煤油传热机理为超临界压力单相类液态强制对流换热;减阻剂对火箭煤油的减阻效果明显,减阻率最高可达60%;随着流体温度升高,雷诺数增大,减阻剂的减阻效果降低,减阻率最低下降至约20%;添加减阻剂后,煤油传热性能显著弱化,但高雷诺数下减阻煤油的换热性能基本维持不变,减阻煤油与火箭煤油的努塞尔数之比约为0.5;雷诺数小于63 000时减阻效果大于传热弱化效果,大于63 000时结果相反。     

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.     

旋转对平板通道内湍流流动和换热影响的直接模拟

直接模拟了展向旋转数等于0~15时平板通道内的湍流流动和换热,分析了科氏力对湍流平均特性、湍流统计特性、雷诺应力输运和湍流结构的影响.采用有限差分法离散非稳态N S方程,湍流雷诺数和普朗特数分别为150和0 71,网格数为64×128×64.计算结果表明,随着旋转数的增加,压力面附近湍流强度增大,换热增强,而吸力面附近换热减小.雷诺应力输运方程中的旋转项在各应力中的能量分配作用远大于压力分配项,且旋转项使得雷诺应力输运方程的各项分布和相对关系发生了较大的变化.由于科氏力的作用,压力面附近的条带间距减小,条带变细、变短,而吸力面流动脉动衰减,有层流化的趋势.     

桥式翅片流动和传热性能的实验研究和数值模拟

对设计的桥式翅片换热器空气侧的传热和阻力性能进行了实验研究,将大量的实验数据进行了线性回归,得出了在实验雷诺数范围内传热和阻力性能关联式及特性曲线.对比可知,在相同泵功情况下桥式翅片换热器比相同尺寸的平直翅片换热器具有更高的传热性能.同时,对以上两种翅片空气侧的温度场和速度场进行了数值模拟,并利用场协同原理对模拟结果进行了分析.分析结果表明,桥式翅片换热器具有更高传热性能的根本原因在于翅片的桥式布置能有效地改善翅片温度场和速度场的协同性.