CC型通道波纹相对节距对流动与换热特性的影响

在三维空间上对CC(Crosscorrugated)型原表面换热器通道内流体的流动与换热特性进行了数值模拟。通道表面为正弦型曲面,上、下波纹板交错角固定为60°,节距与高度的比P/H取值范围为1.5~4.0。结果表明:当雷诺数Re约大于100后,各通道在中平面处产生的旋涡所形成的螺旋型自由剪切层开始变得不稳定,加强了流体间的混合;Re在约100~500的范围内,随P/H的增大,阻力系数f和平均努谢尔特数Nu增加,当Re继续增加(约大于2000)时,以P/H=2.2为界,P/H对f及Nu的影响呈相反的趋势变化;在适中的Re范围内,不同表面均可获得较好的表面性能,且随P/H的增大,获得最佳表面性能的Re减小。图12参8     

微通道轴向导热的拉曼测温实验研究及数值模拟

建立了使用共焦显微拉曼光谱图的微尺度水温测量方法,并用于单相水的对流传热实验。将实验与数值模拟相结合,研究了微通道内轴向导热对流体的传热影响。研究发现,通道入口处壁面热通量最大、液温和壁温均呈非线性发展;局部Nu数曲线出现奇异点,且奇异点位置随着雷诺数的增大往出口处移动;努塞尔数随着雷诺数的增大而增大。     

平直翅片换热器空气侧换热与阻力特性研究

以平直翅片管式换热器为研究对象,利用计算流体力学(CFD)软件进行流动与传热模拟计算。采用正交试验方法确定模型工况,对换热负荷15 kW,设计气温30℃,入口风速为1～5 m/s,管壁温度为40～60℃,翅片间距为1～5mm、翅片厚度0.5～4 mm、管纵向间距为0.5～2.5倍外管径,管排数为1～5排的计算工况进行努塞尔数、阻力因子的计算分析。参数敏感性分析结果表明:在1 mm≤翅片间距δ≤5 mm,444≤雷诺数Re≤3 405时,翅片间距δ是对努塞尔数Nu及阻力因子f影响最大的结构参数。在该范围内提出了由翅片间距与特征长度比值组成的无量纲参数对努塞尔数Nu与阻力因子f的计算关联式。该关联式参数图表明:翅片间距δ越小、雷诺数Re越大,对提高平直翅片努塞尔数、降低阻力因子越有利。     

圆管内置涡流发生器强化传热数值模拟

恒壁温条件下,采用RNG k-ε湍流模型的增强壁面处理(EWT),对圆管内置一种新涡流发生器雷诺数(Re)在25953～51906范围内的流体流动及传热特性进行数值模拟。通过计算努塞尔数(Nu)、摩擦阻力系数(f)与综合性能评价指标(PEC),分析涡流发生器的强化传热性能;得到横截面速度场、温度场及流线图分析强化传热形成原因。结果表明:同一Re,涡流发生器数量越多Nu越大、偏心安装Nu大于中心安装、顺置安装Nu大于倒置安装,同时考虑压力损失,发现偏心安装具有最优的强化传热性能;在涡流发生器附近,流体流速变大,同时涡流发生器产生2层旋流和涡流对壁面形成冲刷作用,破坏传热边界层,并使壁面不易结垢,达到强化传热和自清洁的双重效果。     

叉排板束换热器传热特性数值研究

为提高换热器的传热性能,设计了叉排板束换热器,利用Fluent软件中的RNG k-ε模型数值研究了叉排板束的传热特性。分析了叉排板束排数对于整体Nu的影响以及板束的局部传热特性,比较了不同横纵比对整体Nu的影响,并给出不同Re下叉排板束的Nu经验公式。实验结果表明：叉排板束整体传热性能随板排数的增多而增强,当达到一定排数后传热性能趋于稳定,不同Re下趋于稳定的排数不同,当Re=4.3×105时进入稳定阶段需13排,当Re=4.3×103时进入稳定阶段仅需7排;叉排板束局部传热性能在各板排中先增大后减小,在第2~4排局部Nu达到峰值,板的局部传热性能在两个直角处以及撞击点位置大大增强;板束在横纵比为5时传热性能最佳,横纵比大于或小于5时,传热性能均会减弱;给出Re在1~500,500~1 000,1 000~200 000范围内板束整体Nu拟合公式,当Re>30 000时,与叉排圆管束相比,叉排板束传热性能提高25%     

涟漪纹管内R22单相传热与流动特性的实验与数值研究

涟漪纹管是一种新型三维内外表面强化传热管,内径11.500 0mm、外径12.700 0mm,管壁表面有直径为3.500 0mm的半球凹坑与高度为0.177 8mm的涟漪花纹。工质R22在涟漪纹管内的质量流量设定为40~90kg/h,实验结果表明,涟漪纹管内对流传热努赛尔数(Nu)是相同雷诺数(Re)下光管的2.48倍。同时,对具有不同表面参数(凹坑直径0.0000到4.000 0mm,花纹高度0.0000到0.277 8mm)的涟漪纹管内湍流传热进行了数值模拟,结果显示,在所研究的范围内,管壁表面凹坑直径越大,Nu越大;花纹虽有助于提高传热效果,但花纹高度越大,Nu越小;而摩擦阻力随着凹坑直径与花纹高度的增大而增大。如果以基于相同泵功的强化因子η′评价其综合强化传热性能,则当凹坑直径为1.000 0mm且无花纹存在时,管内的强化传热效果最好。     

高度与节距对波纹板性能影响的数值研究

利用Fluent软件,在波纹板基本尺寸给定的情况下,对高度与节距比值不同的波纹板流动与换热进行数值研究,分析高度与节距比值h/s和雷诺数(Re)对板外空气侧换热和流动的影响。结果表明:在计算的Re数范围内,随着Re数的增加,努谢尔特数(Nu)逐渐增加,阻力系数(f)先增后减;就波纹板效率而言,h/s=0.5时波纹板的效率最高。     

高效螺纹管强化传热机理研究

通过数值模拟的方法在雷诺数2 000～40 000范围内,对比分析了高效螺纹管与单向螺纹管在传热性能和压降性能的影响。结果显示,高效螺纹管由于交叉螺旋线使得壁面产生一定的宏观变形产生一个持续的湍流导致边界层减薄,管内螺旋线并没有使管内流体产生旋转流动,管内平均努塞尔数几乎为零,而单向螺纹管管内流体随螺旋线产生旋转流动;高效螺纹管受螺纹深度及螺旋角度影响较大,当H=0.7 mm时,努塞尔数增大1.57～1.83倍,但压降增大了3.83倍,当螺角为50°时努塞尔数增大1.76～1.89倍,但压降也增大了5.6倍,高效螺纹管深度为0.7 mm,螺旋角为50°时能够得到一个比较好的传热效果。     

新型横纹螺旋盘管强化传热的数值模拟

为了增强螺旋盘管的传热性能,对现有的普通螺旋盘管进行优化设计,提出一种管壁向内凸起形成环肋的异型管,称为横纹螺旋盘管。通过数值模拟方法对横纹螺旋盘管和普通盘管内部流动和传热过程进行模拟。应用场协同原理对其速度场和温度场的协同作用进行分析。实验数据与仿真结果的误差在5%以内,验证了数值模拟方法的正确性。在不同Re(雷诺数)条件下,计算两种盘管的Nu(努塞尔数),进而与Gnielinski(格尼林斯基)修正公式计算结果进行比较,误差在10%以内。结果表明:环肋结构通过工质旋转流动破坏边界层厚度,改善了管内速度场与温度场的协同程度,从而实现了强化传热。在较高的Re范围内,横纹螺旋盘管的Nu为普通盘管的1.29~1.43倍。因此,横纹螺旋盘管具有更好的传热性能,为异型螺旋盘管的研究及工程应用提供一定的理论依据。     

辐射侧加热腔内自然对流传热特性研究

为了明确辐射侧加热封闭方腔内半透明流体的自然对流传热现象及规律,采用有限体积法进行数值模拟研究,分析了瑞利数和光学厚度对流场、温度场以及传热特性的影响。结果表明：与传统侧壁加热腔内自然对流相比,辐射侧加热腔内等温线和流场分布规律不一致;随着瑞利数和光学厚度增加,涡心由中心位置沿直线向辐射入射侧斜上方偏移;随着瑞利数增加,等温线变得更均匀;随着光学厚度增加,等温线变密,努塞尔数Nu与瑞利数RaT的标度律指数减小,当光学厚度增加到一定时标度律不再变化,此时传热标度律与传统恒壁温侧加热腔内自然对流相当,满足Nu~Ra0.29T。     

横向层流中多孔冲击射流强化传热的实验研究

为研究横向层流中多孔冲击射流对平板传热特性的影响,搭建了多孔冲击射流强化传热实验台架,研究了横向层流中不同射流速度比r(10≤r≤30)和不同射流高度(20≤L/d≤80)下多孔冲击射流对加热陶瓷平板对流换热的影响,分析了对流换热系数和相对努塞尔数的变化规律,讨论了多孔冲击射流强化传热的物理机理。结果显示,相对努塞尔数随射流速度比的增大而增大,最大的相对努塞尔数为1.98。此外,多孔冲击射流高度并非越小越好,而是存在一个最佳射流高度。当r较小时,相对努塞尔数随多孔射流高度的增加而减小;当r较大时,相对努塞尔数随多孔射流高度的增加先增大后减小。     

交错内肋微通道的流动和传热特性研究

为了研究带有交错内肋微通道的流动和传热特性,采用数值模拟的方法分析了肋片的形状对微通道热力性能的影响,对比了矩形肋、菱形肋、三角形肋和圆形肋4种不同形状内肋结构的微通道和光滑矩形微通道的热力性能。结果表明：矩形肋、菱形肋、三角形肋和圆形肋微通道的努塞尔数Nu都大于光滑矩形微通道的努塞尔数Nu,最大值分别为光滑矩形微通道的2.59,2.71,2.90和2.48倍;肋片对微通道的传热特性具有显著的强化作用,这是由于流体在交错内肋的后方产生涡流,实现整个流场的全局强化传热,极大提升微通道传热特性;交错内肋的应用也增大了通道的摩擦系数,矩形肋、菱形肋、三角形肋和圆形肋微通道摩擦系数的最大值分别为光滑矩形微通道的8.66,7.96,17.50和5.96倍。     

脉动流场对波壁管内流体的传热及阻力的影响

为了解决换热器、发动机等设备热质传递效率低的问题,采用数值模拟和实验相结合的方法,入口速度设为具有正弦脉动特点的非定常边界、流体温度设为348 K;出口速度设为自由出口、壁面温度设为298 K、忽略管壁传热热阻;对Re=600时波壁管内流体的传热和阻力特性进行研究,分析了不同时刻管内流体的速度场和温度场,以及努塞尔数Nu和摩擦系数的变化规律,将定常和脉动流场下流体的传热及流动特性进行了对比。结果表明:脉动流场下波壁管内流体的换热效果较定常流场差异明显,在振动分率P=1.5,斯德鲁哈尔数St=2.8时,脉动流场较定常流场的Nu增幅达34%,而在P=0.5,Re=400时,脉动流场较定常流场的Nu增幅达55%;脉动流动下,摩擦系数呈现正弦规律;在瞬时雷诺数Re时,脉动流场下的平均摩擦系数与定常流场相比差别不大,但瞬时摩擦系数差异显著。     

基于Fluent的扁管外带凹坑的蛇形翅片空间内流动与传热性能数值模拟

采用Fluent数值模拟了带凹坑的蛇形翅片扁管换热器空气侧的流动与换热。研究表明:与平直翅片相比较,凹坑对空气的流动产生了很大的扰动,采用凹坑翅片可以显著增强换热效果;在雷诺数Re=520～1 400的范围内,凹坑翅片与平直翅片相比其平均努塞尔数Nu_m增加了18%～24%,同时凹坑翅片比平直翅片的阻力系数f增加17%～28%;在雷诺数Re相同的条件下,随着凹坑半径R(0.8～1.8 mm)的逐渐增大,努塞尔数Nu_m和阻力系数f也逐渐增加;在同功耗条件下,与平直翅片相比较,采用带凹坑的翅片可以获得更佳的传热效果。     

圆形凸胞管内传热数值模拟及场协同分析

在普通光滑圆管基础上提出一种新型凸胞换热管,对凸胞管和光滑管的传热特性进行数值模拟,通过改变流速比较无量纲半径I、节距P、排布方式对换热性能的影响,应用场协同理论分析其强化传热机理。模拟结果表明:在所研究的雷诺数范围内,Nu随着无量纲半径I的增加而增加,综合换热性能PEC指数在Re=17 534、无量纲半径I=0.2时为最大;凸胞节距P对Nu的影响较弱,较小的凸胞节距其综合换热性能更优;凸胞对排流动阻力大,错排综合换热性能优于对排;从速度场、温度场分布及场协同原理分析凸胞换热管的强化传热机理。     

螺旋管内迪恩涡强化传热的试验研究

在第一类边界条件下,从迪恩涡理论出发,采用7种不同几何参数的螺旋铜管以及直铜管进行了传热试验,得到了螺旋管内流体的努塞尔特数、压降以及强化传热综合评价因子随雷诺数、曲率比以及扭率的变化规律。试验结果表明:螺旋管的努塞尔特数和压降均高于直管,且随着曲率比、雷诺数的增大而增大;扭率对努塞尔特数的影响不明显,但扭率增大会引起压降降低;螺旋管的强化传热综合性能评价因子在任何雷诺数、曲率比、扭率下均大于1。在较低雷诺数条件下螺旋管具有很好的强化传热性能。     

基于格子Boltzmann方法的微通道传热特性数值研究

应用格子Boltzmann方法研究单相流体流过矩形和三角形微通道结构的对流换热特性。数值模拟结果展示出流体在不同微通道中的速度场和温度场。从温度场结果可发现,流体流经微通道时会在热壁面附近形成热边界层,并且热边界层的厚度随雷诺数Re的增大而变薄。另外,通过出口温度和努塞尔数Nu等物理量定量研究两种微通道结构的换热特性。数值结果表明,矩形微通道结构的换热性能优于三角形微通道结构。在场协同原理基础上,进一步分析造成两种微通道换热性能不同的原因。     

带肋矩形直通道内的冷却空气换热特性研究

采用ANSYS CFX商用软件对带肋矩形直通道内的冷却空气换热特性进行了数值计算,并与文献[4]的实验数据进行了对比,分析了雷诺数Re和肋片角度对努塞尔特数Nu的影响。结果表明:Nu数计算平均值与实验值的变化趋势一致,但计算结果大于实验值;由于肋片的扰流作用,在两个肋片之间的壁面区域产生了两个旋涡,强化了冷却空气与固体壁面的换热;随着Re数的增大,Nu数增大,平均摩擦阻力系数也增大;当肋片角度在45°～60°之间时,冷却通道的强化对流换热效果最好。     

微型燃气轮机CW原表面回热器芯体内传热及阻力特性分析

建立微型燃气轮机CW(交叉波浪型,Cross Wavy)原表面回热器三维周期性充分发展数值计算模型,对芯体内传热和阻力特性进行了分析,确定了质量流量和温度水平对换热量及压降的影响,给出了CW原表面芯体板内阻力、传热因子以及努塞尔数与雷诺数之间的经验关联式。传热及阻力性能分析结果表明:随着雷诺数的增大,回热器芯体单元传热系数增大,传热量逐渐增加,并且随着低压高温烟气侧的进口温度升高,传热量增加幅度增大;回热器芯体单元回热度随雷诺数的增大而减小,随燃气进口温度升高而减小。     

三维肋管肋结构参数对流动传热特性的影响

为了探究三维肋管肋结构参数对管外流动和传热特性的影响,采用控制变量法通过实验研究了热空气横掠三维肋管时,管外努塞尔数Nu与欧拉数Eu随肋结构参数的变化规律。与相同实验工况下的光管对比,分析了不同肋高、肋宽以及轴向间距对三维肋管综合传热性能的影响。结果表明：在一定流速范围内,Nu随着肋高和肋宽的增加而增加,随着轴向间距的增加而减小;相同换热条件下,三维肋管综合性能评价指标（Performance Evaluation Criterion,PEC）优于光管;且换热管的PEC随着肋高和肋宽的增加而增加,随着轴向间距的增加反而减小。