内置螺旋弹簧换热管内流动与传热三维数值模拟

为研究内置螺旋弹簧换热管单管强化传热原理,采用Fluent软件对内置螺旋弹簧换热管内流体流动与传热特性进行数值模拟,考察了弹簧的应用对管内流场、压降和换热性能的影响,并分别取螺旋弹簧节距p分别为2 mm、4 mm、5 mm初步研究了弹簧的节距对强化传热效果的影响。模拟结果显示：弹簧管内流体呈螺旋流动状态,管壁附近流体切向速度和径向速度有一定程度的提高,从而加剧了管内流体的混合及边界层的扰动,充分换热,弹簧管进出口温度差较光管有所增加,最高增加了0.9 ℃;相同雷诺数条件下,内置螺旋弹簧换热管Nu数均高于光管,而压降和阻力系数相比光管有明显增加,随着弹簧节距减小换热增强而摩擦阻力系数增加。     

基于(火积)耗散热阻的新型蜂窝板式换热器性能分析

板式换热器在工业生产中广泛应用。基于换热器(火积)(火积)耗散热阻理论,采用数值模拟和实验相结合的方法对新型蜂窝板式换热器进行研究。结果表明数值模拟和实验结果在合理的误差范围内,验证了数值模拟的可靠性。新型板式换热器内部蜂窝结构附近的速度场出现规律的周期性变化,流体湍流强度增加,提高了换热效率。新型板式换热器换热量与其(火积)耗散和(火积)耗散热阻呈反比例关系,这为新型蜂窝板式换热器的优化提供了理论依据,并为工业生产提供参考。     

基于(火积)耗散热阻的新型蜂窝板式换热器性能分析

板式换热器在工业生产中广泛应用。基于换热器(火积)耗散热阻理论,采用数值模拟和实验相结合的方法对新型蜂窝板式换热器进行研究。结果表明数值模拟和实验结果在合理的误差范围内,验证了数值模拟的可靠性。新型板式换热器内部蜂窝结构附近的速度场出现规律的周期性变化,流体湍流强度增加,提高了换热效率。新型板式换热器换热量与其(火积)耗散和(火积)耗散热阻呈反比例关系,这为新型蜂窝板式换热器的优化提供了理论依据,并为工业生产提供参考。     

内置涡流发生器的管内过冷沸腾与强化换热的模拟

采用欧拉双流体模型结合RPI沸腾模型对高压管内过冷沸腾进行三维非稳态模拟,考察了涡流发生器对管内过冷沸腾的影响,模拟了高压下光管内的过冷沸腾、层流下内置涡流发生器的换热管内的流动和湍流下内置涡流发生器的换热管内的过冷沸腾。结果表明,内置涡流发生器的换热管在层流状态下换热能力明显提升,过冷沸腾时管内换热能力有一定提升,且壁面附近的气泡由于扰流作用被大量卷入锥形片内,降低了壁面附近产生气膜的可能性,延迟了过冷沸腾起始点的位置。     

三螺旋折流板换热器多流路通道流动与传热数值模拟

为了增加大螺旋角下单位长度换热管上螺旋折流板数量提高换热,提出三螺旋折流板导流结构,对设置三螺旋折流板后壳程流体的流动与传热进行了数值模拟,重点考察了Reynolds数Re=1391~4174时的壳程压降及对流传热系数,与设置单螺旋折流板的对比结果表明:三螺旋折流板换热器壳程对流传热系数高27.9%,JF因子高13.67%,综合传热性能更好。在此基础上运用(火积)耗散理论分析了三螺旋折流板采取不同螺旋角时对换热效率的影响,发现由传热引起的(火积)耗散率随Reynolds数变化规律与壳程对流传热系数随Reynolds数的变化规律类似,相同流量条件下螺旋角为64.8°的换热器(火积)耗散率最小。另外,中心换热管与壳壁附近换热管的传热系数比较结果显示,中心管热交换量均低于壳壁附近换热管热交换量。     

一维换热器中温差场均匀性原则的证明

换热器的温差场均匀性原则是一个唯象原理,还没有得到理论上的证明。采用变分方法,用火积耗散极值原理对两股流和三股流一维换热器的传热过程进行了优化,表明不管是给定换热量寻求火积耗散最小,还是给定火积耗散寻求换热量最大,均应使冷热流体的温差场完全均匀,从而初步证明了换热器温差场均匀性原则的正确性。     

基于炽耗散极值原理的弯管内流场优化与场协同分析

采用火积耗散极值原理模拟了弯管内层流流动的优化流场,应用场协同原理分析原型流场和优化流场的结果表明,管内优化流场传热和流动阻力的综合性能评价指标（PEC）达到1.7以上。比较原型流场与优化流场在同一截面的等速线、等温线、截面矢量图和边界层附近协同角余弦值分布,发现附加体积力改变了管内流场与热量输运,使正常的弯管内的层流流动变为两股对称轴向螺旋流动,提高了径向温度梯度分布均匀性和边界层附近协同角余弦值,最终使表面传热系数和场协同性有了较大的提高。     

浸没燃烧式气化器换热管内跨临界液化天然气的传热特性

浸没燃烧式气化器(SCV)换热热阻主要存在于换热管内部,研究管内跨临界液化天然气(LNG)传热特性对提高设备整体的换热效率具有重要意义。本文建立了能够描述换热管内跨临界LNG流动与传热过程的数值计算模型,分析了换热管内LNG的传热规律,获得了入口速度、入口压力和壁面热通量对局部传热系数的影响规律,提出了适用于预测管内跨临界LNG传热特性的量纲为1关联式。结果表明,沿着LNG流动方向,局部流体传热系数先增大后减小,且最大值出现在拟临界温度附近,超临界条件下LNG热物性剧烈变化是引起强化传热的主要原因;在一定范围内,提高入口速度可以有效地强化流体传热能力,局部流体传热系数的最大值主要取决于入口压力,增加壁面热通量会缩短局部流体传热系数达到最大值所需的时间;提出的量纲为1传热关联式平均绝对相对误差为6.53%,且预测值落在±25%相对误差范围内的比例为99.42%。该研究成果可为掌握SCV设计方法和高效运行技术提供参考。     

地埋管换热器热短路及其对热物性测试影响分析

为了更准确地建立垂直地埋管换热器钻孔内传热模型,采用模拟分析的方法探讨了不同钻孔、支管和布置形式的冷热支管热量回流情况,并拟合得到了热短路热阻的表达式。建立了三维数值模型,分析了管内流体流速、埋深对热短路的影响,流速越小,热短路损失率越大和单位管长换热量越小,然而流速过大,热短路损失率减少并不明显且能耗加大;增加埋深可以增大埋管进出口的温差,但冷热支管间的热损失也大大增加。对比了流体积分平均温度与几何平均温度的差别,由于忽略了热短路的影响,往往线性几何平均温度值偏大。借助于试验平台,分析了流速变化和埋深变化对土壤平均传热系数测试的影响,结果表明:流速越小,热短路损失率越大,土壤平均传热系数越小,即埋管的换热能力也越低;埋管的深度应综合换热量要求、热短路损失、投资而确定。     

不连续双斜向内肋管换热器换热性能研究

不连续双斜向内肋管是一种新型强化换热管,采用数值模拟的方法对管内的流动情况进行分析,流体在管内形成了强烈的涡流,且主要出现在壁面附近;设计开发了一种可制造该强化换热管的模具,利用该模具生产的不连续双斜向内肋管制造了一台小型换热器,与同规格的光管换热器进行对比实验,研究表明不连续双斜向内肋管换热器的传热系数和热效率较光管换热器要高,具有优良的强化换热性能,在换热器行业具有广阔的应用前景。     

具有相变的三介质换热器的分析

具有混合能源的暖通空调与制冷（heating, ventilation, air conditioning & refrigerating, HVAC&R）系统通常需要在3种或多种流体之间传递热量。三介质换热器能满足多流体换热需求,在该领域具有应用前景,其优化具有重要意义。对于具有相变的三介质换热器,现有的热阻定义不能很好地发挥作用,而最新提出的理论提供了另一种方法。本文采用分布参数法建立了翅片管三介质换热器的仿真模型,并用实验结果进行了验证。此外,还推导了三介质换热器中基于耗散的的热阻。根据传热量和理论,分析了不同结构和空气流量下的三介质换热器的换热性能。结果表明,采用基于耗散的热阻作为评价标准与采用传热量为评价标准相比,改变管路排布方式获得的优化结果不同,改变管径或风量获得的优化结果相同。以基于耗散的热阻为标准,考虑不同流体侧之间的传热和压降的匹配,以获得最佳的管路排布方式。本文的实验结果有利于制冷空调系统中三介质换热器的优化以及理论新应用领域的拓展。     

含固体粒子旋转流强化流体传热的实验及模拟研究

针对管内除垢与防垢及强化传热问题,对工程上应用较广的扭曲管、扭带管中旋流场内低浓度液固流场综合性能进行实验及模拟研究. 结果表明,含粒子旋流场可提高流体湍流强度,与圆管相比,扭曲管和内插扭带圆管均有较好的旋流效果,相同Re下扭曲管的换热系数提高18.7%~30.1%,阻力系数提高13.1%~181.8%,综合性能评价因子平均提高15.5%,高于圆管和扭带管;而扭带管的换热系数比圆管提高5.6%~32.9%,阻力系数最高. 对扭曲管内粒子传热性能进一步优化,模拟值与实验值的误差为10.7%~12%. 旋流作用有利于提高液固流场的综合性能,但较高流速下该综合性能则逐渐降低.     

管内层流强化传热的数值模拟

通过数值模拟,研究了85%甘油在含旋流片缩放管管内的传热与流阻特性,并与光滑管、缩放管的传热与流阻特性进行了对比。研究结果表明,层流时含旋流片缩放管的综合因子大于缩放管,且缩放管内插入6个小角度旋流片具有更好的传热性能。在有旋流片段可以通过减薄边界层厚度与增加有效传热温差的双重途径提高传热速率,而在旋流片下游段则可以利用有效传热温差的缓变特性继续维持较大的传热速率,从而能避免过多的流体置换次数,极大幅度的降低流体的输送功耗。     

Heat transfer and friction factor of Therminol liquid phase heat transfer fluid in a ribbed tube

Experiments and simulations on flow and heat transfer behavior of Therminol-55 liquid phase heat transfer fluid have been conducted in a ribbed tube with the outer diameter and inner diameter 25.0 and 20.0 mm,pitch and rib height of 4.5 and 1.0 mm.respectively.Experimental results show that the heat transfer and thermal performance of Therminol-55 liquid phase heat transfer fluid in the ribbed tube are considerably improved compared to those of the smooth tube.The Nusselt number increase with the increase of Reynolds number.The increase in heat transfer rate of the ribbed tube has a mean value of 2.24 times.Also,the pressure drop results reveal that the average friction factor of the ribbed tube is in a range of 2.4 and 2.8 times over the smooth tube.Numerical simulations of three-dimensional flow behavior of Therminol-55 liquid phase heat transfer fluid are carried out using three different turbulence models in the ribbed tube.The numerical results show that the heat transfer of ribbed tube is improved because vortices are generated behind ribs,which produce some disruptions to fluid flow and enhance heat transfer compared with smooth tube.The numerical results prove that the ribbed tube can improve heat transfer and fluid flow performances of Therminol liquid phase heat transfer fluid.     

插入圆柱状丝网管对单相对流传热的强化

提出在传热管内插入圆柱状丝网管调控流场进而强化传热的方法。通过在管内同心插入圆柱状丝网管,将流通截面分成中心区和环隙区,流体流经丝网入口处时受到阻力较大,大部分流体流向环隙区,使得速度场受到调控。环隙区与中心区内冷热流体掺混,强化传热。为验证这一思想搭建强制对流换热实验台,以去离子水为工质,Reynolds数为2392～20175,热通量为50.18～282.88 kW·m^-2。通过对局部、平均Nusselt数及摩擦压降数据的研究,结果表明：同光管传热相比,插入丝网管后平均Nusselt数提高,传热强化系数为1.21～1.84,且最大强化系数发生在过渡流内。入口段强化效果明显,局部传热强化系数最高可达到2.64。而强化传热的同时摩擦压降增大6.1～10.6倍。同时对该结构的传热强化机理进行分析：流场受到丝网管的调控作用,进而强化传热。     

内插螺旋立式上行管流场及传热性能的实验研究

通过粒子图像测速流场实验与传热实验相结合，研究了内插螺旋立式上行管的螺旋节距、丝径、中径比等结构参数在不同Re下对流场、阻力及传热性能的影响。结果表明，内插螺旋能够有效扰动和混合管内流体，使管内形成多个纵向旋涡的流体结构、增大管壁附近液体涡量，有利于强化传热。当Re相同时，管内平均流速v、Nu和综合换热性能PEC均随丝径增大而增大，随中径比减小而增大；随节距增大，3种参数均出现增大的趋势，节距大于20 mm后开始减小。管内流体的阻力f随丝径和节距增大而减小，随中径比增大而增大。综合比较，在较低Re时，节距p=20 mm、丝径e=1.6 mm、中径比D/d=0.75时综合传热效果最好。     

内置偏心多螺旋扭带换热管的传热特性研究

通过数值模拟对内置偏心多螺旋扭带换热管的传热特性进行了计算与分析,结果表明:换热管的对流传热强度随着扭带数量的增加而提高,随着扭带扭率的减小而提高。流动阻力损失相对于空管有很大程度的提高。传热性能评价指标在湍流时普遍较低,故多螺旋扭带换热管的使用应考虑流动阻力损失的影响。     

螺旋套管换热器壳程流体湍流换热热力性能数值研究

利用计算流体力学软件对内管为螺纹管的螺旋套管换热器壳程流体的湍流流动和换热性能进行了数值模拟。通过与内管为光管的研究结果对比,揭示了内管为螺纹管时壳程流体的速度场和温度场分布,研究了雷诺数、槽高对壳程流体湍流流动及换热性能的影响,并利用场协同原理初步揭示了螺纹复合螺旋流动强化流体换热的机理。结果表明,螺纹内管的螺纹凸起对螺旋套管换热器壳程流体的扰流和导流作用明显,在研究范围内(Re=10 000~24 000),内管为螺纹管的螺旋套管换热器壳程流体的传热效率较内管为光管的模型最大提高了22.1%;结构参数相同时,随着Re增大,螺旋套管换热器壳程流体的Nu逐渐增大,阻力系数f逐渐减小,综合评价因子Ψ逐渐减小,在研究范围内,Nu最大增加了85.6,f最大减少了0.008,Ψ从1.35减小至1.18。当Re一定时,当量高度h'增大,f逐渐增大,Nu先增大后减小。由场协同原理分析得出,h'=0.220时,在螺纹凸起扰流和导流的作用下壳程流体的温度场与速度场协同性能较好,综合评价因子Ψ最大,螺纹的优化当量高度h'宜取约0.220。     

缩放管内插双扭带复合强化传热的数值模拟(英文)

The paper presents a 3D numerical simulation of turbulent heat transfer and flow characteristics in converging-diverging tubes(CDs) and converging-diverging tubes equipped with twin counter-swirling twisted tapes(CDTs).The effects of Reynolds number(Re 10000-20000),pitch length(P 11.25,22.5 mm),rib height(e 0.5,0.8,1.1 mm),pitch ratio(δ1:8,5:4,8︰1),gap distance between twin twisted tapes(b 0.5,4.5,8.5 mm) and tape number(n 2,3,4,5,6) on Nusselt number(Nu),friction factor(f) and thermal enhancement factor(η) are investigated under uniform heat flux conditions,using water as working fluid.In order to illustrate the heat transfer and fluid flow mechanisms,flow structures in CDs and CDTs are presented.The obtained results reveal that all geometric parameters have important effects on the thermal performance of CD and CDT,and both CD and CDT show better thermal performance than plain tube at the constant pumping power.It is also found that the increases in the Nusselt number and friction factor for CDT are,respectively,up to 6.3%-35.7% and 1.75-5.3 times of the corresponding bare CD.All CDTs have good thermal performance with η greater than 1 which indicates that the compound heat transfer technique of CDT is commendable for the maximum enhanced heat transfer rate.     

开口扭曲片圆管强化传热与流动阻力特性模拟

In the industrial application of ethylene pyrolysis tubular heating furnace, the fluid transferred from horizontal to rotary flow by adding twisted slices internals, which increased the tangential velocity and strengthened the flushing effect on the tube wall, so as to achieve the purpose of enhancing heat transfer. Based on the second generation of twisted slices, the structure was improved, and RNG k?ε turbulence model was used to simulate the flow details inside the furnace tube. The longitudinal vorticity structure, resistance coefficient, Nusselt number Nu, comprehensive heat transfer coefficient PEC and the coupling coordination between velocity vector field and temperature gradient field in different twisted slice structures were compared and analyzed. The results showed that the structure with "slit" openings along the wall can reduce the loss of flow resistance while increased the strength of fluid swirl. The resistance coefficient of twisted slices with opening structure of 7 mm length, 2 mm width and 2 mm interval was 93.75% of the first generation and 8.67% more than the second generation, but the comprehensive heat transfer coefficient was 1.56% higher than that of the second generation and 1.29 times of the smooth tube. It can be considered that the optimized structure improved the stability of longitudinal vortex structure as well as strengthened the coupling between flow and heat transfer. Besides, along the central opening of the slices, the resistance coefficient at the twisted slices increased, resulting in larger local losses.