过渡流下近壁圆柱流动传热特性的优化研究

针对过渡流状态下近壁插入圆柱的模型进行数值模拟与分析,通过基于复合网格系统的计算方法,分别研究过渡流状态下单圆柱与双圆柱对壁面流动传热特性的影响,以期优化圆柱下游壁面的流动传热特性。研究结果表明:1)一方面,近壁插入圆柱可使圆柱和壁面间流体受迫加速,此处壁面换热得以强化;另一方面,近壁插入圆柱可使流场产生波动,形成正负交替的漩涡,其对壁面的洗刷作用亦会使被洗刷处的壁面传热强化;2)近壁插入双圆柱与近壁插入单圆柱相比,可有效提高圆柱下游的换热系数,明显优化壁面换热效果。     

过渡流下串列双圆柱周期传热机理研究

主要研究过渡流状态下串列双圆柱的传热强化机理。通过基于复合网格的专用程序计算在雷诺数为200时不同间距下的工况,并分析其传热强化机理。计算结果表明:(1)上游圆柱压差阻力和黏性耗散都随着两圆柱间距增加而增强,当压差阻力的作用与黏性耗散的作用相平衡的时候,下游圆柱壁面的达到最大。(2)下圆柱前缘处传热强化的因素包括上游圆柱尾流对下游圆柱壁面的速度边界层的影响以及所携带的冷热流体对下游圆柱的温度边界层的影响。由于冷热流体流动的周期不均匀性与边界层分离点的周期转移,造成了ΔNu和ΔCf变化规律的不一致性。(3)NVP、PVP加速或抑制下游圆柱边界层的发展及分离,上游圆柱尾流所引导的冷热流体对下游圆柱壁面有周期性的洗刷作用。这是下游圆柱壁面传热强化两个重要因素。上述传热强化机理的发现,对开发设计新型小管径换热器起指导作用。     

过渡流下多列叉排圆柱列流动传热特性对比研究

为了在过渡流状态下对小型化换热器叉排管束群的传热强化机理进行研究,对三列、五列叉排圆柱列的流动传热特性的数值模拟结果进行了对比研究。使用Fortran程序对基于复合网格系统的三列、五列叉排模型在不同横向间距(Ps/D)下的流动传热特性进行数值模拟。研究结果表明(1)当Ps/D=3时,五列叉排圆柱列的传热强化效果最好,Ps/D=4时,三列叉排圆柱列的传热强化效果最好;(2)在叉排管束群中,第二列圆柱列的对流换热效果最好,后排圆柱列的对流换热效果依次降低。(3)在叉排管束群中,当圆柱列列数增加时,Ps/D增大时,传热强化效果不明显。     

过渡流状态下圆柱列流动与传热特性的数值模拟

紧凑型换热器的管径变细,管径细化后,换热器内的管外流动由湍流向过渡流转变,而对过渡流的研究较少。为了研究过渡流状态下管束的传热强化机理,采用基于复合网格系统的计算方法对两列顺排圆柱列与三列叉排圆柱列进行数值模拟,并对比研究流体与温度对流动传热特性的影响。数值模拟结果表明:当中间圆柱列不加热时,整流作用与尾流不稳定性作用的共同影响能够保证流动传热强化效果;当中间圆柱列加热时,温度场发生的变化会弱化传热。     

近壁串列双圆柱绕流自激振荡及强化传热研究

近壁串列双圆柱绕流是研究强化传热的典型模型之一,在动力工程领域有着广泛的应用。针对该模型中特有的流动传热特性进行了研究,重点分析了局部区域的强化传热机理。结果表明：壁面传热在两圆柱附近的区域出现不同程度的增强,在Re=400时第二个圆柱影响区域3≤x/D≤5的强化效果最好。进一步分析强化传热的形成原因,-1≤x/D≤1区域的强化传热主要由流动加速效应引起;3≤x/D≤5区域的强化传热主要由第一个圆柱尾流的低频自激振荡效应与流动加速效应的共同作用引起。深入研究这一共同作用,得出第二个圆柱附近的流动不稳定性与传热不稳定性的相互影响是局部强化传热的根本原因。     

过渡流下后台阶内插圆柱流动与传热特性研究

为研究过渡流下（Re=700）内插圆柱对后向台阶流动及传热特性的影响，并尝试找出强化台阶底面换热的最佳圆柱位置，建立二维数值计算模型。采用Fluent设定控制方程和边界条件进行数值模拟，并搭建后向台阶闭式循环水槽试验台，在相同工况下通过PIV进行可视化流动实验，验证数值计算的可靠性。结果表明：Re=700时，圆柱的位置会影响回流区进而影响台阶底面的传热能力；当内插圆柱的横向位置Xc/S=0.6、纵向位置为Yc/S=1.0时，底面传热效果最好，与无内插圆柱工况相比，传热效果提高约112%，而压降只增加45%。     

叉排翅片传热特性的二维与三维数值分析

换热器是一种广泛应用于工业生产的设备,而叉排翅片(OSF)因具有良好的换热性能而被广泛应用于换热器。目前基于二维(2D)与三维(3D)数值方法,针对OSF流动传热特性已展开了大量研究。为了进一步加深对实际边界条件下的OSF传热特性的研究,通对层流和过渡流下的OSF进行2D与3D的非定常数值分析,找出二者在预测换热性能方面的差异并分析导致差异的影响因素,从而寻找一种利用2D或3D数值方法模拟OSF流动传热特性的有效途径,研究结果表明:在层流区3D效应较小,采用2D数值方法可更为有效地对理想的OSF传热特性进行定性和定量的预测;在过渡流区3D效应加强,由于OSF底板边界层对非定常流的抑制作用,2D数值分析方法不能准确地预测OSF的传热性能。     

复合台阶绕流中旋涡与强化传热的关联性机理

研究了复合台阶绕流中典型旋涡和壁面传热之间的关联性机理。通过PIV实验对所用的数值模拟方法进行了验证。从瞬态和时均两方面分析了早期过渡流区域复合台阶绕流的传热特性。结果表明：从层流到早期过渡流壁面的时均传热随雷诺数呈现出非线性的增长趋势,同时台阶底面局部区域的流动传热出现了非相似性。为了理清上述传热特征的形成原因,对一个振动周期里典型旋涡的形态特征和演变规律进行了分析,发现旋涡再附着冲击角γ,近壁冲击流速Ω和旋涡流向长度Lv是影响传热的三个关键因素。一般情况下,壁面传热随着γ和Ω的增大而增大。     

中低雷诺数下近壁圆柱绕流对壁面传热的影响

对近壁圆柱绕流强化壁面传热展开研究,基于有限容积法通过FORTRAN编程来求解控制方程,分析了不同雷诺数(100≤Re≤1200)下的近壁圆柱绕流对壁面传热的作用。研究结果表明:(1)雷诺数的变化对壁面传热强化有着重要的影响,壁面的平均努塞尔数(Num)随雷诺数的增大而增大;(2)在雷诺数较低时,Num在近壁圆柱附近处出现一次峰值,随着雷诺数的增大Num在第一次峰值后又出现第二次峰值,且两次峰值的大小都随雷诺数的增大而增大;(3)随着雷诺数增大,Num的第一次峰值基本出现在同一位置,即近壁圆柱处;Num的第二次峰值由于旋涡运动的影响,随雷诺数的增大略向上游移动。     

后向台阶绕流低频脉动特性的强化传热研究

后向台阶绕流是包含丰富流动现象的典型分离再附流动,在工程中应用广泛。这里针对过渡流下后向台阶绕流低频脉动特性对传热的影响展开研究,重点分析了主回流区再附着点下游传热得到强化的原因。结果表明：过渡流下的低频脉动特性诱导流动在壁面附近形成旋涡,这些旋涡的运动破坏了速度边界层的均匀发展,同时加强了冷热流体的混合,从而强化了底面传热,再附着点下游局部区域的传热比层流时提升了3倍以上。随着雷诺数的继续增大,近壁旋涡的形态发生变化,促使流体冲击壁面的角度增大,低速回流范围减小,从而进一步强化了底面传热。