螺旋半圆管夹套内充分发展层流流动与换热特性

根据螺旋半圆管夹套的结构特点,提出了简化的物理模型;采用数值方法求解了恒定热负荷条件下夹套内流体充分发展的层流流场和温度场,并与激光多普勒测速仪测得的速度场和已有的传热实验结果进行了对比。研究了夹套的结构和换热流体Prandtl数Pr对夹套内流体流动及换热特性的影响。结果表明:层流状态下,夹套管的横截面上存在两涡结构的二次流;随着曲率k的增大,二次流函数值增大,二次涡的强度增强,流动阻力增加。二次流对夹套内的换热起强化作用,k值越大,换热流体的Pr越小,二次流的相对强化换热作用越明显。增大k或Pr可以强化夹套内的换热,但强化效果不同;夹套内换热面的中心部位是需要强化换热的重点部位。     

螺旋半圆管夹套内湍流流动与传热的数值模拟

应用CFD分析软件Fluent,在简化模型的基础上对螺旋半圆管夹套内的三维湍流流动及换热进行了数值模拟. 结果表明,夹套内与螺旋线垂直的横截面上,切线方向的时均速度等值线呈鞍状分布,弯曲外壁侧的速度梯度远大于直内壁侧;二次流为稳定的两涡结构,二次涡的中心位置在半圆形截面的2个尖角附近. 由于二次流的作用,换热壁面上局部努塞尔数Nulocal分布不均,最小值在壁面中心点处,最大值在中心点两侧,研究范围内,最小值为平均值的0.8~0.85倍,最大值为平均值的1.15~1.25倍. 螺距对夹套内充分发展段的流体流动及换热的影响很小;增大曲率,夹套的换热能力增强,同时流动阻力也增大.     

釜内螺旋半圆管夹套内流体湍流流动特性

采用实验和数值模拟方法对安装在反应釜内壁侧的螺旋半圆管夹套中流体的湍流流动特性进行了研究. 无量纲曲率d=0.133、无量纲螺距t=0.127的夹套中流体湍流速度场的实测与模拟结果吻合较好. 基于正交螺旋坐标系,给出了夹套内流体的速度场,包括平均轴向速度、二次流速度及二次流函数分布. 研究了平均雷诺数Re、d及t对速度场及流动阻力的影响. 结果表明,充分发展湍流条件下,釜内螺旋半圆管夹套横截面上,平均轴向速度最大值的位置有2个,二次流为恒定的4涡结构. 随Re和d增加,2对二次涡的强度及湍流流动阻力fRe均增加. 相对于釜外螺旋半圆管夹套,在0.05≤d≤0.1, 10000≤Re≤18000的范围内,釜内螺旋半圆管夹套中的湍流流动阻力fRe提高了2.13%~7.72%.     

弓形截面螺旋半管夹套内流体流动与换热

采用数值方法对弓形横截面螺旋半管夹套内流体的湍流流动与换热特性进行了研究。基于正交螺旋坐标系给出了夹套内换热流体充分发展的湍流流场与温度场分布。研究了雷诺数Re和无量纲曲率δ对流动阻力fRe及壁面平均换热努塞尔数Num的影响。结果表明:充分发展湍流条件下,弓形截面螺旋半管夹套的横截面上,平均轴向速度的最大值位置靠近弯曲的外壁侧;二次流为旋转方向相反的两涡结构。相同换热面积时,在0.058≤δ≤0.12,6000≤Re≤12 000的范围内,弓形截面夹套的流动阻力fRe是半圆形截面夹套的0.794～0.947倍,平均努塞尔数Num为0.86～0.98倍。     

三角形螺旋流道充分发展层流流体的流动性能

基于角钢螺旋夹套,展开了对三角形螺旋流道层流流动性能的实验和数值研究。经对比,同一模型下的实验结果和模拟结果吻合良好。采用数值方法得到了充分发展状态下流体的主流速度、二次流速度、流函数及涡量的分布特点,分析了三角形边界上局部阻力系数的分布规律,并与半圆管螺旋流道进行了比较。结果表明：在所研究的Dean数及量纲1曲率（k）内,流道横截面上的二次流为稳定的两涡结构,内、外壁面局部阻力系数的分布明显不同,外壁面局部阻力系数的平均值约为内壁面阻力系数平均值的1.54～2.72倍;随着Dean数及k 的增大,二次流动增强,内、外壁面阻力系数均增大;对于量纲1挠率及Dean数均较小的三角形螺旋流道,挠率对流体流动的影响很小;通过对比,两种流道具有相同内壁面面积、曲率半径、螺距及Reynolds数时,三角形螺旋流道的流动阻力小于半圆管螺旋流道。     

三角形螺旋夹套内流体的湍流流动及换热模拟

对三角形螺旋夹套内流体的湍流流动及换热性能进行了模拟,得到了充分发展条件下恒定热流加热时釜内湍流流体的速度场,分析了雷诺数(Re)和无量纲曲率(k) 对流体阻力和换热性能的影响,并由模拟数据拟合出平均阻力系数及平均努赛尔数的关联式. 结果表明,湍流流动中,夹套内流体的二次流动为稳定的二涡结构,随雷诺数增大,二次流强度和湍动能均增强. 由于离心力的作用,外壁面的阻力系数远大于内壁面. 换热面上局部努塞尔数的峰值出现在靠近二次涡中心位置的换热壁面处,换热面中心处的局部努塞尔数约为峰值的85%. 随Re和k增大,峰值处的局部努塞尔数值增大最明显,流体的平均努塞尔数及阻力系数均增大. 在所模拟的范围内,三角形螺旋夹套的效率因子E>3.7,且随Re和k增大,E逐渐增大.     

三角形螺旋流道层流流动及换热特性模拟

应用CFD软件研究了直角三角形螺旋流道内层流流体的流动及换热特性,得到了充分发展条件下流体的速度场及温度场,分析了换热壁面局部努塞尔数Nuloc的分布及流道结构对三角形螺旋流道内流体流动及换热的影响。结果表明:层流状态内,流体在流道横截面上产生的二次涡为稳定的两涡结构;受二次流的影响,换热壁面上各点的努塞尔数并不一致,其峰值出现在靠近二次涡中心位置的换热壁面处。增大雷诺数及量纲一曲率,使得局部努塞尔数峰值明显增大,且会使换热面中心弱传热区增大。平均努塞尔数随着雷诺数或曲率的增大而增大,但相应的阻力系数也会随之增加。     

球凸对螺旋半圆管内流体流动及传热的影响

采用RNGk-ε湍流模型数值研究了球凸涡发生器对螺旋半圆管夹套内流体湍流流动及换热的影响,分析了泊肃叶数P0、努塞尔数Nu及综合性能因子PEC随雷诺数Re的变化关系,并与光滑螺旋夹套进行对比,结果表明:湍流状态下,球凸涡发生器可以提高螺旋半圆管的努塞尔数,但其综合性能评价因子PEC值小于1,说明阻力系数的增值大于传热系数的增值。     

反应釜内螺旋半圆管夹套内流体的湍流换热性能及熵产分析

应用CFD软件研究了安装在反应釜内壁侧的螺旋半圆管夹套内流体的湍流换热特性,分析了雷诺数Re和曲率d对换热特性的影响,并以熵产数为指标对夹套换热性能进行了基于热力学第二定律的分析评价. 结果表明,弯曲换热壁面两侧主二次涡涡心附近无量纲温度最小,而壁面中心点附近最大,是换热最差的部位. 同一d下,Re增加使二次涡强度和流体湍动能增大,夹套换热综合性能系数Num/f增大;同一Re下,d增加使二次涡强度增大而流体湍动能减小,Num/f值减小. 研究范围内,釜内夹套换热壁面的平均努塞尔数Num为釜外夹套的1.168~1.241倍,摩擦阻力系数f为其1.021~1.077倍. 结构确定的夹套存在一个最佳平均雷诺数(Reop)使换热过程的不可逆损失最小,随d增加,Reop逐渐增大. 半圆截面2个尖角附近是夹套内有用能损失的主要部位.     

等腰直角三角形截面螺旋流道内层流流体的流动特性

应用CFD软件对直角三角形螺旋流道内层流流体的流动特性进行了数值模拟,得到了充分发展条件下流体的速度场,分析了无量纲曲率d、无量纲挠率l对二次流强度和流体流动阻力的影响. 结果表明,当d=0.021~0.083且Re=200~1000时,流体流过该螺旋流道产生的二次涡为稳定的两涡结构;随Re及d增大,二次流强度增强,流体阻力系数也相应增大;在研究范围内,l对二次流强度及流体流动阻力的影响不大;当结构参数及Re取值相同时,三角形螺旋流道的阻力比半圆形螺旋流道小,且随Re增大,二者的差值增大,在所计算的Re范围内三角形螺旋流道的阻力系数为半圆管螺旋流道的84.1%~99.5%.     

Laminar Flow and Heat Transfer Characteristics in Jackets of Triangular Flow Channels

Laminar flow and heat transfer characteristics of jacketed vessel with triangular flow channels were numerically studied under hydrodynamically and thermally fully developed conditions. Constant heat flux at theheated wall was assumed. The numerical program code interms of vorticity, stream function, axial velocity com ponent and energy equations was written based on a finite volume method. Based on the numerical results, the flow and temperature field were given, and the effects of Dean and Prandtl numbers on flow and heat transfer were ex amined, and the correlations of flow resistance and mean Nusselt number were developed for the jacket. The results show that the structure of secondary flow is steady two vortices in the investigated range of dimensionless curvatureratio and Reynolds number. Two peaks of local Nusselt number increase significantly with Prandtl and Dean num ber increasing, but the local Nusselt numbers near two ends and at the center of the heated wall increase only slightly. The center and two ends of heated wall are the poor positions for heat transfer in the jacket. Compared with the outer half coil jacket at the same area of heated wall, curvature radius, Reynolds number and Prandtl number, e jacket of triangular flow chmnel has lower flow resistance and less mean Nusselt number.     

釜外和釜内螺旋半圆管夹套内流体流动与换热性特性

The physical models of the outer and inner half coil jackets were simplified to two types of coiled ducts.The mathematic models of incompressible fluid at the condition of laminar flow and heat transfer in the two types of jackets for cooling process reactor were set up and solved by the semi-implicit method for pressure linked equa-tions consistent (SIMPLEC) algorithm based on a control volume method.The flow and temperature fields were given and the effects of Dean and Prandtl numbers on flow and heat transfer were studied.The results show that flow in the inner half coil jacket is found to exhibit transition of secondary flow pattern from two vortices to four vortices when the Dean number increases,but that in the outer half coil jacket is not found.The critical Dean num-ber is about 96.The inner half coil jacket has stronger heat transfer ability than the outer half coil jacket and this superiority is more evident with larger Prandtl number.However,as the Dean number is greater than 105,the flow resistance enhances more severely in the inner jacket than the outer jacket.For both jackets,the centers of the heated wall are the poorest for heat transfer.     

周向平行细通道夹套的换热特性

提出一种周向平行细通道的夹套结构,采用数值方法对细通道夹套的换热特性进行研究,分析了流量、通道尺寸和数量对换热性能的影响,并与无细通道夹套进行比较. 结果表明,研究范围内细通道夹套内筒壁面的平均温度和温度不平均系数分别比无细通道夹套平均低9.7 K和36.7%,且二者均随流量增大而减小;当通道高度一定时,通道宽度越小即通道数越多,内筒壁面平均温度越低,而温度不平均系数几乎不变;细通道夹套的通道数越多,同一横截面上流体温度分布越均匀,且流体温度不均匀系数随质量流量增大趋于定值;内细通道夹套的平均传热系数约为无细通道夹套的0.87~2.04倍;细通道夹套的通道数越多,传热系数越大;平均传热系数随质量流量增大而增大,当流量增加到一定程度时,其增加趋势变缓,通道数越多,变缓的趋势越明显. 由模拟数据拟合出细通道夹套平均努塞尔数的关联式为Nuave=3.71696Re0.30341(Dh/Rc)0.28574.     

铜材退火罐热量回收利用装置传热分析

对某厂铜件退火罐,利用风冷夹套回收其余热用于木材干燥。采用ANSYS 14．0软件模拟了风冷夹套中的流场、温度场和压力场,并根据工程实际对进气口数量进行了优化。结果表明,进气口数量的改变不仅改变了流动阻力而且影响传热效果。当进气口数量为7时,退火罐出气口空气温度适宜用于干燥木材并且取热效果良好。     

基于RPI模型的内燃机冷却水腔内数值模拟研究

以欧拉两相流模型为基础,建立了适用于内燃机流动传热的RPI(Rensselaer polytechnic institute)过冷沸腾换热模型。并与Robinson的矩形通道试验结果进行了对比分析,验证了模型的适用性和计算精度。将此模型应用于实际内燃机缸盖及冷却水腔内的直接耦合传热计算,同时对单相流和两相流的计算结果进行对比分析。结果表明：沸腾传热可以明显提高冷却水腔的换热效率,并降低鼻梁区等局部高温区域的温度;使用考虑沸腾的两相流模型进行计算模拟时,计算结果与试验结果的误差更小;欧拉两相流计算缸盖火力面测点温度误差相对于纯对流换热模型误差降低了1.78%。