喷雾冲击条件下液膜流动与传热模型

针对现有喷雾冷却计算模型的不足,以质量、动量、能量守恒方程为基础,建立喷雾冷却非沸腾区的液膜流动与传热方程,并采用数量级分析的方法对方程简化,最后运用数值方法对模型进行求解。给定液滴速度及液体温度,由模型计算液膜厚度、平均热通量与液体流出温度,与实验测试结果对照。结果显示,液膜厚度的计算结果与实验结果相差6%以内;平均热通量和液体离开待冷却表面的最终温度计算结果与实验结果相差10%以内,且超过60%的计算结果偏差小于5%。计算结果与实验结果的高度匹配证明该模型可较好地反映喷雾冷却过程的流动与换热。由模型可以获取不同位置处液膜厚度与温度,从而加深对喷雾冷却传热机理的理解。     

高温含油热解气的冷凝特性研究

为了揭示焦油在换热器中的冷凝传热过程,基于Euler Wall Film(EWF)模型对热解气在冷凝管内的冷凝过程进行了模拟。此外,基于实验数据对上述冷凝模型进行验证。研究结果表明:采用EWF模型模拟计算的结果与实验数据吻合良好;当热解气入口速度从2 m/s增加至3.5 m/s时,沿冷凝壁面液膜速度增大,液膜厚度减小了25%,平均热流密度增大了23%;当热解气入口温度从530 K增加至620 K时,沿冷凝壁面液膜厚度增大了26%,平均热流密度增大了21%;当冷却水的温度从295 K增加至325 K时,沿冷凝壁面液膜厚度减小了32%,平均热流密度减小了30%。研究结果对焦油换热器结构设计与操作指导具有一定的参考价值。     

水平管外降膜蒸发传热性能的实验研究

以水为介质研究了水平管外降膜蒸发的传热性能,并对喷淋密度和热通量等因素对传热性能的影响进行了分析,得到了传热系数关联式,该式的计算值与实验值相差在±10%以内。     

制冷剂瞬态喷雾冷却表面传热特性

喷雾冷却在工业工程中应用广泛,其表面相变传热过程非常复杂,需要开展深入研究揭示其机理与规律。以R134a、R407C及R404A制冷剂为工质开展瞬态喷雾冷却表面相变传热特性实验研究,提出了表征冷却表面内部导热阻力与喷雾表面对流传热阻力之比的喷雾Biot数,以及表征瞬态喷雾冷却最大热通量及其出现时刻的量纲1 Reynolds数Re_l和Fourier数Fo_l。将Jakob数Ja与Re_l及液滴Weber数We关联,提出了最大热通量及其出现时刻的通用量纲1关联式。发现不同制冷剂的瞬态喷雾冷却过程具有相似性,得到了热通量随时间变化的量纲1关联式。利用上述关联式对喷雾表面瞬态温度进行模拟,结果与实验结果吻合较好,证明了关联式的准确性。     

制冷剂瞬态喷雾冷却表面传热特性

喷雾冷却在工业工程中应用广泛,其表面相变传热过程非常复杂,需要开展深入研究揭示其机理与规律。以R134a、R407C及R404A制冷剂为工质开展瞬态喷雾冷却表面相变传热特性实验研究,提出了表征冷却表面内部导热阻力与喷雾表面对流传热阻力之比的喷雾Biot数,以及表征瞬态喷雾冷却最大热通量及其出现时刻的量纲1 Reynolds数Rel和Fourier数Fol。将Jakob数Ja与Rel及液滴Weber数We关联,提出了最大热通量及其出现时刻的通用量纲1关联式。发现不同制冷剂的瞬态喷雾冷却过程具有相似性,得到了热通量随时间变化的量纲1关联式。利用上述关联式对喷雾表面瞬态温度进行模拟,结果与实验结果吻合较好,证明了关联式的准确性。     

平板微热管阵列垂直传热的数值分析

对新型高效传热元件平板微热管阵列（MHPA）的工作机理进行了理论研究。通过建立分区微元模型对热管冷凝段内部工质的流动与传热过程进行了分析。确定了微槽内冷凝液膜的厚度,温度场分布及质量流量等物理参数。利用Matlab软件编写的程序计算结果与实验值吻合较好,最大误差在5%以内。根据软件计算的结果,拟合得到了冷凝段内部饱和温度的表达式。     

水平管外壁液膜流动状态及其对传热的影响

采用智能化薄膜厚度测试仪对水平管外液膜流动状态进行了研究 ,得到液膜厚度的几率分布和平均厚度 .液膜的平均厚度不仅随液体负荷的增加而加大 ,而且与管外壁不同角度有关 ;液膜的波动状态受制于液体负荷与管径的共同影响 .定义了量纲 1波高 ,并通过实验数据回归得到量纲 1波高的经验关系式 .还进行了初步的传热实验 ,得到水平管外蒸发侧传热膜系数随量纲 1膜厚和量纲 1波高的变化 ,为进一步揭示蒸发侧传热的决定因素提供实验依据     

竖直管外气液逆流环状降膜速度与温度分布

建立了竖直管外环状降膜气液逆流传热传质条件下稳态层流降膜一维速度分布和二维温度分布模型,以及膜厚和降膜表面热通量的数值计算方法。表面热通量的模型计算值与实验值在气体Reynolds数Re_g<1200的范围内吻合较好,表明基于界面摩擦因子求解模型的方法在两相均为层流条件下是可靠的。模型显示了降膜速度分布和温度分布的非线性特征,降膜表面附近陡降的温度梯度表明,减小膜厚是强化降膜传热传质过程的有效途径。     

表面温度测量方式对喷雾冷却表面传热特性的影响

喷雾冷却在工业过程中应用广泛,制冷剂喷雾是激光皮肤手术中实施表皮冷保护的必要手段。为提高冷却效率,需要通过表面温度的测量反推表面传热特性。为探索不同表面温度测量方式对实验结果的影响,搭建了瞬态喷雾冷却实验台,分别使用磁控溅射薄膜热电偶（TFTC）、丝状热电偶（FTC）和片状热电偶（STC）研究了R404A制冷剂喷雾环氧树脂表面传热特性的差异。实验结果表明,磁控溅射薄膜热电偶（TFTC）热响应性能最佳,能准确及时地反映表面温度的瞬态变化且可与热通量变化准确对应。丝状热电偶（FTC）和片状热电偶（STC）属于间接测温,温度变化存在明显滞后,影响热通量、对流传热系数等表面传热特性的精确分析。薄膜溅射热电偶测温是准确研究瞬态喷雾冷却表面传热过程的可靠手段,可为临床治疗提供理论指导。     

表面温度测量方式对喷雾冷却表面传热特性的影响

喷雾冷却在工业过程中应用广泛,制冷剂喷雾是激光皮肤手术中实施表皮冷保护的必要手段。为提高冷却效率,需要通过表面温度的测量反推表面传热特性。为探索不同表面温度测量方式对实验结果的影响,搭建了瞬态喷雾冷却实验台,分别使用磁控溅射薄膜热电偶(TFTC)、丝状热电偶(FTC)和片状热电偶(STC)研究了R404A制冷剂喷雾环氧树脂表面传热特性的差异。实验结果表明,磁控溅射薄膜热电偶(TFTC)热响应性能最佳,能准确及时地反映表面温度的瞬态变化且可与热通量变化准确对应。丝状热电偶(FTC)和片状热电偶(STC)属于间接测温,温度变化存在明显滞后,影响热通量、对流传热系数等表面传热特性的精确分析。薄膜溅射热电偶测温是准确研究瞬态喷雾冷却表面传热过程的可靠手段,可为临床治疗提供理论指导。     

矩形微通道中环状冷凝的三维数值模拟

建立了恒热流边界条件下矩形微通道中环状冷凝过程的三维模型。通过求解气相和弯月面区动量和质量方程及薄液膜厚度方程,得到了弯月面毛细半径分布、冷凝液膜厚度分布,以及传热系数和壁面温度分布。薄液膜区液膜将沿程逐渐增厚,到达一极值后再逐渐变薄。在通道截面中,薄液膜区的传热系数大于弯月面,最大局部传热系数及壁面最高温度皆位于薄液膜区和弯月面的连接处。[JP2]在冷凝起始段,通道横截面平均传热系数沿程急剧减小至一极值;在此之后的很长一段距离内,则基本保持不变;[JP]直至接近环状冷凝终点时又再次沿程减小。     

真空闪蒸冷却换热机制及流量影响

通过对真空闪蒸冷却机理的分析,基于膜-渗透理论建立了以水为工质的真空闪蒸冷却换热模型,并利用实验研究和模型模拟相结合的方法,对闪蒸冷却的换热特性进行了研究。模型分析结果和实验结果误差小于10%,证明了所建模型的准确性。研究结果表明：液膜闪蒸换热在高热通量闪蒸冷却中占主导地位;随着工质流量的增加,闪蒸冷却换热性能提高;工质流量越小,液膜闪蒸换热所占份额越大,即工质闪蒸所带来的潜热利用率增加。研究结果为真空闪蒸冷却在航天热控方面的应用提供了理论基础。     

水平管外降膜蒸发流动和传热特性数值模拟

建立三维模型并模拟了制冷剂R410A在水平管外的降膜流动和蒸发过程,探究了喷淋密度、热通量和布液孔偏离管轴心距离对降膜流动和传热的影响。结果表明：沿管周方向,液膜厚度和传热系数逐渐减小并趋于稳定,至管底处由于局部液体堆积,液膜增厚、传热系数降低;喷淋密度较小时,总传热系数随着热通量增加而降低,随着喷淋密度增加而显著提高;液膜Reynolds数达2000后,总传热系数随喷淋密度增加而缓慢提升并趋于平稳,此时热通量的增加会提升总传热系数;随着布液偏心距的增加,总传热系数先略微上升并趋于平稳,而后由于出现局部“干涸”和液膜堆积区域,总传热系数急剧下降;随喷淋密度的增加,总传热系数急剧下降的临界点会逐渐往大偏心距偏移。     

Etude numérique de l'évaporation dans un courant d'air humide laminaire et turbulent d'un film d'eau ruisselant sur une plaque inclinée

The authors have proposed an appropriate model based on the liquid film transfer equations which are one‐dimensional, partially two‐dimensional and two‐dimensional. They have compared their results with those of other works and studied the influence of the liquid mass flow rate and the inclined angle. They have shown that the interracial heat transfer is dominated by the latent heat transfer; the contribution of the sensible heat is only important in the turbulent region where the interfacial temperature and the evaporating mass flux are practically constant and the thickness of the liquid film is uniform. For the adiabatic plate, the liquid mass flow rate and the inclined angle have no influence on the transfers. For the isothermal or the heated plate, the liquid mass flow rate essentially influences the turbulent region by reducing the interrfacial temperature and the heat and mass transfer coefficients. However, the inclination angle affects mainly the laminar region by increasing the interfacial velocity, reducing the film thickness and has little effects on the transfer coefficients.     

Evaporative Heat Transfer of Annular Two-phase Flow of Air-water in a Small Vertical Tube

The evaporative heat transfer of the non-boiling annular two-phase flow of air-water in a small vertical tube with uniform wall heat flux was studied both theoretically and experimentally. A simplified two-phase flow boundary layer model was used to calculate the thickness of the water film attached to the wall, and from the liquid film thickness the evaporative heat transfer coefficients of the annular two-phase flow were obtained. Theoretical equations and semi-theoretical equations were proposed for predicting the evaporative heat transfer of the annular two-phase flow of air-water in a small vertical tube. The semi-theoretical prediction agrees well with the experimental data. The mechanism of the heat transfer enhancement is the evaporation of the thin liquid film attached on the wall.     

Evaporative Heat Transfer of Annular Two-phase Flow of Air-water in a Small Vertical Tube

The evaporative heat transfer of the non-boiling annular two-phase flow of air-water in a small vertical tube with uniform wall heat flux was studied both theoretically and experimentally. A simplified two-phase flow boundary layer model was used to calculate the thickness of the water film attached to the wall, and from the liquid film thickness the evaporative heat transfer coefficients of the annular two-phase flow were obtained. Theoretical equations and semi-theoretical equations were proposed for predicting the evaporative heat transfer of the annular two-phase flow of air-water in a small vertical tube. The semi-theoretical prediction agrees well with the experimental data. The mechanism of the heat transfer enhancement is the evaporation of the thin liquid film attached on the wall.     

喷雾冷却中液滴撞击带气泡液膜的数值模拟

在喷雾冷却过程的核态沸腾区,液滴与液膜及液膜内气泡的撞击对过程传热有重要影响。本文建立以水为冷却工质的单液滴撞击带气泡液膜的二维数值模型,模拟研究过程现象和传热规律。结果表明,We为6.94、量纲为1的液膜厚度为0.5（对应液滴速度0.5m/s、液膜厚度1mm）时,撞击过程中液膜扰动不显著、运动形态近似波纹;当We增大到111.11（对应液滴速度2m/s）时,撞击过程中液滴与液膜接合处的表压达到6000Pa,成为颈部射流现象的推动力,并逐步发展形成冠状水花;撞击过程中气泡的存在会阻碍液滴与加热表面的直接接触,但随着气泡的破裂,液滴与加热表面直接接触换热,使撞击点附近表面传热系数远大于其他区域,提高了传热能力,且液膜厚度越小、液滴速度越大,表面传热系数峰值越高。研究结果可为喷雾冷却系统的进一步研究提供理论依据。     

多排平直翅片管换热器表面气液降膜流动特性的三维数值模拟

基于VOF模型建立了考虑重力、表面张力及界面摩擦力源项的多排平直翅片管换热器表面气液两相降膜流动三维瞬态CFD模型。不同气流速度下液膜厚度模拟结果与文献中试验值吻合较好,最大偏差小于5%,表明所建立CFD模型是可靠的。通过研究壁面接触角为30°时不同气液Reynolds数下液膜流动特性,结果表明：翅片管表面满膜流的临界Reynolds数Re_l为239,临界喷淋密度为0.06 kg/(m·s);在239 ≤ Re_l ≤ 995内,其平均液膜厚度较Nusselt理论解高16.8%～35.1%;气液逆流和顺流时气相Reynolds数Re_g应分别小于2190.7和3286.0,其主要原因在于过高的Re_g会导致气液界面摩擦力快速增大,从而引发液膜破裂和液滴脱落等现象恶化设备性能。总之,气液顺流更有利于在较高气相Reynolds数下实现翅片管表面的较薄满膜流动。     

系统压力影响下的喷雾冷却特性及温度均匀性

喷雾冷却是一种新型的高热通量换热方式。对以水为工质的封闭式喷雾冷却进行了实验研究,并结合实验现象对不同系统压力下喷雾冷却的换热特性及表面温度不均匀性进行了分析,并给出了相应的量纲1压力换热关联式。实验结果显示:由于系统压力较低,喷雾工质在较低的温度下进入两相区,其换热能力远远高于常压下的换热能力,且换热性能随系统压力减小呈指数性增大关系;在实验条件中,可以实现在85℃的平均壁面温度下,热通量达到360W.cm-2;低压下喷雾冷却被冷却壁面的温度不均匀性小于常压下温度不均匀性。     

带钢保护气氛循环喷射冷却热工过程的数值模拟

对带钢保护气氛循环喷射冷却热工过程建立了一维非稳态传热模型,采用有限差分计算方法计算了带钢的温度场,确定了带钢在不同厚度、初始温度及运行速度下所需的综合换热系数,考察了喷箱的结构参数和循环冷却介质的物性参数对带钢出口温度的影响。结果表明,不同厚度的带钢在满足性能要求及安全的条件下,存在最大运行速度,厚度超过3 mm的带钢的断面温差对带钢性能的影响不能忽略;带钢出口温度会随带钢至喷孔板距离(?)与喷孔直径(D)的比值增大而增大,但增大速率随?/D增加逐渐变小。喷孔间距(?n)与喷孔直径的比值存在最佳范围,且与?有关,因此在实际设计喷箱结构时,不仅需考虑?n/D的最佳值,还需结合?综合考虑;冷却介质(H2+N2)的温度每升高10℃,带钢出口温度增加约3℃。带钢出口温度随冷却介质中氢气含量及流速增加而减小,但减小速率随二者增加而逐渐减小。现场应用结果表明,带钢出口温度的模拟值与实测值吻合较好,误差约为3.4%,满足应用要求。