离散叉排肋化内冷通道流动与传热的数值模拟

运用数值模拟方法,计算肋片导流角θ为15°～45°的离散叉排肋化冷却通道在雷诺数介于1×104～20×104之间时的换热和流阻特性。研究结果表明,(1)各算例的强化换热能力随雷诺数的增大而减小,流动阻力随雷诺数的增大而增大,综合换热效率随雷诺数的增大而减小。(2)肋片导流角的改变可以显著改变通道的换热和流阻特性。相同雷诺数下,θ=45°的强化换热比和通道阻力增大比最高,θ=15°的强化换热比和通道阻力增大比最低。在研究范围内θ=15°的综合换热效率最好。     

梯形带肋通道内空气流动与换热特性数值研究

带肋扰流冷却是航空发动机涡轮叶片内部冷却的一种主要冷却方式。采用CFX等计算流体动力学软件,通过气热耦合数值模拟方法,对比分析了梯形冷却通道和矩形冷却通道内空气的流动和换热特性,研究了雷诺数(Re=10 000~30 000)和肋角度(30°、45°、60°和90°)对梯形带肋通道内空气流动及换热特性的影响。     

燃机叶片U带肋冷却通道的结构优化

内部对流冷却是燃气轮机叶片冷却的重要组成部分之一。基于代理模型和遗传算法,以带肋U形通道肋片角度,肋片方向和肋片距离作为变量对带肋通道中的肋片角度,朝向和相对位置进行优化,以改善整个通道的换热和流动性能。相比于对照通道,第2直通道换热功率最高提高了18.5%,摩擦因子最大降低幅度为28.6%。     

矩形带肋通道中蒸汽与空气换热特性比较试验研究

模拟实际燃气轮机叶片内冷通道几何及传热结构,研究了蒸汽和空气在两面带有肋片的矩形通道中当雷诺数为10000⁸0000时的换热和摩擦特性。试验通道宽高比(肋片在宽面上)为0.5,肋间距p/e为10,通道阻塞比为0.047,试验通道长度L为1000mm。试验结果显示,蒸汽和空气在带肋通道中的平均换热系数,平均摩擦系数和换热性能随雷诺数的变化趋势几乎相同;在相同试验条件下,蒸汽在带肋通道中的平均换热系数比空气高30.2%,平均摩擦系数比空气高18.4%;蒸汽在带肋通道带肋面和光滑面上的换热性能比空气分别高8.4%和7.3%。     

螺旋曲面三维肋强化传热的数值模拟研究

利用计算流体力学软件Fluent6.3研究普通直型三维肋和螺旋曲面三维肋分别用于矩形流体通道的流动换热特性,分析两者在雷诺数Re为2000～10000、迎流攻角β均为45°时的传热与阻力特性。研究结果表明:矩形流体通道内加螺旋曲面三维肋时平均努赛尔数Nu和平均阻力系数f皆大于普通直型三维肋,并随着Re的增大而增大。同时,利用综合评价准则数G对其传热进行综合判定,G值大于1。螺旋曲面三维肋的综合性能优于普通直型三维肋。     

涡轮工作叶片内冷通道换热特性数值模拟

采用非结构化网格和SST紊流模型,求解三维N-S方程,对带90°肋和气膜孔的矩形通道在入口雷诺数60000,罗斯贝数0.11,气膜孔总出流比为0.22时的三维流场进行了数值模拟。分析了通道旋转和静止时各个面的换热变化规律。结果表明,通道静止时,不但布置了粗糙肋的上、下壁面换热得到了增强,光滑的侧壁换热同样获得了增强;通道旋转时流场更加复杂,旋转所产生的二次流动使各个壁面的换热进一步增强。     

基于计算流体力学数值模拟的板式换热器传热与流动分析及波纹参数优化

基于计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)方法对板式换热器整板和局部计算域进行数值模拟。建立1 000mm数量级冷热双流道的人字形板式换热器整板片的流动及换热计算模型,利用FLUENT软件对集中供暖系统中的水-水换热工况进行模拟研究,分析冷热流体在换热器中的流动形态以及换热情况;与此同时建立200 mm×200 mm冷热双流道的局部计算域模型,对不同波纹倾角β,波纹截距λ的板片单元进行模拟分析,根据波纹参数对板式换热器的流动及换热情况的影响优化波纹参数。结果表明,整板LPM77板片流道中流体分布十分不均,且人字形尖点和流道边缘处流速较低,湍流程度较小,换热效果较差;随着波纹倾角β增大,板片换热能力先增后减,极值点在β等于60°左右,流体的压降同样先增后减,然而压降的最大值点出现在60°之后。综合考虑换热情况以及流动压降,一般工况下波纹倾角β选择在60°左右较为适宜;随波纹截距λ增大,流体的换热性能以及流动压降均呈现降低趋势,波纹截距λ对压降的影响程度大于波纹倾角β对其的影响。     

内置式温差发电器热通道的数值模拟

内置式结构在强化传热的同时将不可避免的对流体的流动产生阻力,为研究不同内置结构对温差发电器热端综合换热效果的影响,利用fluent商用软件对热通道的内流场和换热特性进行了数值模拟。详细介绍了从CAD软件辅助建模,网格划分和边界层定义到计算结果输出与后处理的整个过程,并通过计算得出了不同速度条件下光管、内置板以及内置粗糙肋板等热端模型的阻力与传热特性,并通过对计算结果的分析为热通道的结构优化指出了方向。     

压缩机中冷器针肋管的传热及流动阻力的试验研究

肋片是一种强化换热的有效手段 ,在紧凑式换热器中肋片管已经得到了广泛地应用。本文对三种新型针肋管试件进行了传热和阻力特性的试验研究 ,给出了 Rem为 4.5× 1 0 3～ 7.0× 1 0 4范围内的换热与流动的曲线。     

印刷电路板式换热器Zigzag通道流动与传热数值模拟

印刷电路板式换热器以其高效、紧凑、耐高温、耐高压等特点,在核能、太阳能、液化天然气等清洁能源领域具有广阔的发展潜力。本文通过建立三维传热数值模型,研究了印刷电路板式换热器Zigzag通道内部冷、热流体的流动与传热基本规律,并与试验结果进行对比,验证了模型的准确性;分析了Zigzag通道角度对流体流速、温度分布的影响规律,并以(Nu/Nu0)/(f/f0)作为评价指标,对通道角度与流动条件进行耦合优化。研究表明:当Re≥250时,15°、25°的Zigzag通道综合性能优越,且15°的Zigzag通道性能最佳;而30°、45°的Zigzag通道综合性能不理想,尤其是45°的Zigzag通道,其综合性能始终低于直通道。研究结果可为印刷电路板式换热器的热力设计提供重要参考。     

波纹型叠片式空气冷却器传热与空气流动阻力性能的试验研究

叠片式翅片管空气冷却器是一种高效、紧凑的空气换热高备。对新开发的第二代波纹型叠片进行了传热及阻力性能的测试，获得了一系列试验工况下的传热和管外空气流动阻力数据，通过计算得出了管外换热准则关系式和空气流动阻力准则关系式，并与第一代平片型叠片的试验结果进行对比。结果表明，两种翅化比的波纹型叠片在常规换热工况下的传热性能相当，但比平片型叠片均提高了约9％；当翅化比相同时波纹型叠片的空气流动阻力比平片型叠片增大18％左右，但适当改小翅化比后，波纹型叠片在传热性能不降低的情况下，空气流动阻力可降低至仅比平片型叠片大2．5％左右。     

带有方形肋及双倾斜肋片的细通道内流动、传热和熵产分析

为了探究带有方形肋及双倾斜肋片细通道的流动换热及熵产特性，设计了2种带有方形肋及双倾斜肋片的组合细通道(MCDS-L, MCDS-R)，然后采用数值模拟的方法分析其流动特性、传热特性和熵产特性，并将其分析结果同2种方形肋细通道(MCS-L, MCS-R)和一种双倾斜肋片细通道(MCD)进行对比。结果表明，在所研究的雷诺数范围内，组合通道的摩擦阻力系数基本一致且均高于其他3组通道(MCS-L, MCS-R, MCD) 。此外，组合通道的努塞尔数均高于其他3组通道，而熵产增大数均低于其他3组通道。其中，MCDS-L通道的努塞尔数最大，熵产增大数最低。表明MCDS-L通道的换热效果最佳，能量的综合利用程度最高。研究成果为微细通道热沉的设计提供参考。     

横流通道中肋角度对外表面气膜冷却影响研究

采用非结构化网格和Realizablek-ε紊流模型,求解三维N-S方程,对带肋横流通道中肋的角度不同情况下,外表面气膜冷却换热特性进行了数值模拟。具体分析了肋与横流流动方向成60°、90°、120°时对气膜冷却外表面换热系数的影响。结果表明:横流及肋的存在使通道流场变得非常复杂,肋角度的变化对气膜孔内及出口气体流动有较大影响;肋角度的变化还改变了外表面换热系数的分布,肋角度为120°时外表面换热系数最大,60°次之,90°最小。     

集中供热用非对称板式换热器流动换热的研究

非对称板式换热器流道截面相异的特性为集中供热一二次网流量差异下换热性能的优化提供了可能。通过数值模拟,研究了不同工况下人字形非对称板式换热器的波纹倾角β、节高比■/H对其传热系数和流动阻力的影响;以经济学费用现值PC为标识,对其综合性能进行评价。结果表明:波纹倾角β对不同节高比板片的影响并不相同,其对小节高比(■/H≤5)板片换热系数和阻力影响均较大,而大节高比(■/H≥6)对波纹倾角β敏感性较弱;当β≤60°时,大节高比板片具有较好的换热性能和较低的流动阻力,其经济性优势显著,可节省33%～61%的总投资费用;综合考虑设备性能和经济性,β=50°、■/H=6、7为合理的结构参数。     

风冷冷板传热及流动特性研究

建立了实验装置对矩形通道内的传热与流动状态进行实验,其结果与层流解析解和湍流实验经验式接近,从而证实了实验装置的可靠性。通过对典型模型进行的吹风实验获得了典型模型的传热与流动阻力分布;在数值模拟上对于典型模型采用取局部通道的方式,简化了计算模型。计算采用FLU-ENT求解器的层流模型和SIMPLE算法,实验结果与计算结果一致性较好。然后通过正交实验设计计算了不同肋高、肋间距、肋长、肋厚的类似计算模型,总结出了一定Re数范围内的叉排肋化表面内冷板内通道的j、f计算关联式。     

双V型波纹板式换热器的数值研究

利用三维模拟研究了双V型波纹板式换热器内部的换热阻力特性、换热面的温度分布,以及波纹通道内流动形态。结果表明,传热系数K、进出口压降随着Re的增大而增大,数值模拟结果可以较好吻合试验趋势。相比RNG k-e,SST k-w湍流模型所得的结果与试验结果吻合更好。波纹板片均流区的压降占整个通道压降损失的10%~20%,合理设计此部分区域可以提高整个板式换热器运行的经济性。在上下壁面接触点附近存在复杂的二次流,此部分区域的漩涡会减弱流动及换热边界层,强化换热。由于漩涡流向与槽道走向并不一致,漩涡的存在同时会加大压降损失。同时,双V型波纹板片较好地削弱了流体分配不均匀的现象。     

自相似结构微通道热沉内部流动特性及结构优化

电子设备高度集成化导致其发热功率同步大幅增加,需要更高效的冷却技术解决其散热问题。自相似微通道热沉(Self-similarity micro-channel heat sink,SSHS)是近几年提出的一种新型微通道换热结构,与一般的微通道热沉相比,具有更好的换热均匀性和更宽的适用性。利用数值方法对SSHS的一个完整工作单元内的流动过程进行了模拟计算,以进一步分析SSHS的综合性能,并在此基础上,改进和优化其结构参数。计算结果表明,SSHS内各溢流通道(微通道)间存在较严重的流量分配不均问题,改变溢流通道结构参数对其流量分配过程影响很小,流量分配不均是SSHS自身结构所决定的固有特性,通过将等截面分流通道结构设计改为渐縮式斜坡设计,可以减弱入口分流通道末端的滞止效应,从而可以大大缓解溢流通道间的流量分配不均匀性问题。优化计算结果表明,0.07～0.80 kg/h的流量范围内,当斜坡角度为5°时,可将溢流通道间的流量差由原来的数倍降至不超过35%,而平均流动阻力增加不超过10%。     

密集型窄缝矩形通道冷板的结构优化

通过分析比较冷板的换热系数和出口压损,得到影响密集型窄缝冷板换热性能和流阻性能的主要结构参数,包括窄缝矩形通道冷板的基板厚度、槽道宽度、槽道高度、肋片厚度。最后基于iSIGHT多学科设计平台最优化窄缝矩形通道的几何结构,实现在最小泵功耗的情况下,达到最好的换热性能,为工程应用提供了依据。     

V型肋高对涡轮叶片半劈缝冷却换热特性影响

为了明确V型肋高对涡轮叶片半劈缝冷却换热特性的影响,寻求较优的V型肋高度,调节肋高度值使其在d/H=1/6~1/2范围内变化,通过数值计算分析了带肋壁面冷却效率、努塞尔数等参数随肋高的变化规律。研究发现:随肋高增加,冷却效率呈下降趋势;换热增强因子及强化换热综合指标均随肋高的增大而增大,肋高d/H=1/3的半劈缝通道表现出了较为稳定且良好的强化换热综合性能。     

锯齿错列肋片尾气换热器的热电性能优化

由于尾气传热性能差,尾气余热热电转换系统中常采用具有强化换热结构的尾气换热器,其中,锯齿错列肋片式是常见型式之一.但如何平衡传热性能和流动阻力实现对换热器内部结构和整体尺寸的优化,使得热电系统获得总的净输出功率最大,是值得研究的内容.但现有成果均是基于限定尺寸结构,对换热器局部尺度及热电性能进行分析,没有针对强化换热器的整体优化结构和最大净输出功率展开研究.建立基于汽车尾气余热回收的热电转换数值模型,结合场协同理论,分析锯齿错列肋片式尾气换热器内部肋片结构对热电功率的影响.此外,综合考虑传热性能与流动阻力的平衡,以热电转换最大净输出功率为优化目标,对热电模块结构进行优化,并获得热电系统的相应最优性能.研究结果表明,固定热电模块尺寸时,净输出功随肋片高度增加明显增加,但受肋宽影响较小;对热电模块尺寸进行优化时,肋高和肋宽的变化均对热电模块的最优尺寸产生较大影响,单位面积最大净输出功随肋宽增加而明显降低,但受肋高的影响较小.