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.     

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%.     

0.5mm毛细管内气-液Taylor流动换热数值研究

采用移动计算域方法研究0.5mm毛细管内充分发展的气液Taylor流动换热特性,分析了Taylor气泡的形状、压降与换热特性。结果表明,随着入口Reynolds数Re的增大,气泡尾部的不稳定区域增大,液膜厚度逐渐增大,气泡长度变长;随着气泡体积分数ξ_g的增大,气泡形状基本不变而长度逐渐增大。阻力因子f随Re、ξg增大而降低,两相阻力系数高于单相的情况。平均Nusselt数Nu_(tp)随Re增大而增大,增大趋势逐渐降低;随ξg增大而线性降低。Taylor流的Nu_(tp)为单相的1.2~3倍,强化换热效果。     

撞击流反应器内幂律流体流动特性的数值模拟

采用数值模拟方法对撞击流反应器内幂律流体的流动特性进行研究,分析了不同喷嘴间距和入口流速下清水和不同质量分数幂律流体的径向射流扩展率、径向速度衰减率、剪切应力、表观黏度等分布规律,研究表明：幂律流体中径向射流的径向速度分布规律与清水径向射流相似。随喷嘴间距的增大,扩展率增大,径向速度衰减率减小,平均剪切应力呈先增大后减小的变化规律,其中L=3D时平均剪切应力值最大,更利于流体混合。入口流速越大,扩展率越小,径向速度衰减率越大,平均剪切应力也随之增大。幂律流体的平均剪切应力大于清水,且随质量分数的增大,其扩展率增大,为清水扩展率的1.3~3.3倍,而幂律流体的径向速度衰减率从-1.268~-1.125降低到-1.144~-1.082,逐渐小于清水。幂律流体径向射流区域的剪切应力呈“M”形分布,表观黏度则呈“W”形分布,流体的流变性质对撞击流反应器内流体的流动规律影响显著。     

乙二醇溶液水平新型多头内螺纹管内流阻特性

建立了水平管内绝热流动阻力特性试验系统,试验研究了乙二醇溶液在两种新型多头内螺纹管内的流动特性。试验中,乙二醇体积分数为15%,两种试验管公称内径为22 mm与16 mm、螺纹头数为60头与38头、螺旋升角为45°与60°、相对粗糙高为0.022与0.053,测试段长度分别为2643 mm与2945 mm,Pr范围13.9~23.2,Re范围4000~33000。结果表明:多头内螺纹管阻力系数达到极大值之前的变化趋势与均匀粗糙管显著不同,而且无法通过既有多头内螺纹管经验模型准确描述;多头内螺纹管内达到阻力系数极大值的分界点Re为内肋结构参数的函数;入口效应对内螺纹管阻力系数的影响随Re增加而增大,传统的判别入口段可忽略的判据(l/di60)并不适用于多头内螺纹管,尤其是在Re20000的工况;既有多头内螺纹管经验模型适用工况条件有待进一步拓宽,多头内螺纹结构流动阻力的作用机制、阻力系数出现极大值的分界点的变化规律有待进一步试验探索。     

不同流体Prandtl数时颗粒有序填充床的流动传热性能

对小管径/粒径比颗粒有序填充床进行数值模拟,研究流体普朗特数(Pr)变化及不同管径/粒径比对填充床流动与传热性能的影响。结果表明,颗粒填充通道可分为入口阶段、充分发展阶段以及出口阶段,各个阶段的流动与传热特点不同。在相同雷诺数(Re)时,流动传热充分发展阶段传热系数和压降均随管径/粒径比的增大而增大,且后者增大的幅度大于前者。流动工质的Pr越大,填充床努塞尔数(Nu)越高,而Pr变化对阻力系数的影响可忽略。Pr不同,Nu随管径/粒径比的变化趋势不同,而阻力系数随管径/粒径比的变化趋势相似。     

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。     

缠绕管式换热器壳程强化传热性能影响因素分析

由于内部流场信息缺乏，结构参数对流体流动的影响规律不明确，致使缠绕管式换热器壳程强化传热机理不明晰，阻碍其设计准则的进一步规范化和通用。针对上述问题，对缠绕管式换热器壳程流体流动进行几何建模及数值模拟，并通过文献中实验数据进行验证，进而基于该模型对壳程流体流场特性进行详细分析，分析关键结构参数对其壳程传热与阻力性能的影响，并探讨其强化传热机理。结果表明：Realizable k-ε湍流模型可较为准确地描述壳程流体流动；在双对数坐标系内，壳程Nusselt数随Reynolds数的增大而增大，阻力系数f则呈线性降低的趋势；壳程Nusselt数随缠绕管直径d与平均缠绕直径D的增大而增大，随螺距S的增大而减小，阻力系数f则相反；缠绕管直径d对壳程流体传热与阻力性能的影响最大，平均缠绕直径D的影响最小；增大缠绕管直径d与平均缠绕直径D有利于破坏流体速度边界层，增强流体扰动，加快温升速度，强化壳程传热，而增大螺距S则使速度边界层变厚，减小流动阻力的同时降低温升速度，不利于壳程强化传热。     

列管反应器改进结构环形分布器内变质量流动的数值分析

环形分布器是实现载热体在列管式固定床反应器壳程均匀流动的重要部件。采用计算流体力学方法对丙烯氧化反应器壳程熔盐在改进结构型式(即椭圆扩张型进口,进口处两侧分别设置呈45°的导流挡板,挡板上均匀分布小孔,不均匀的开孔方式)的环形分布器内的变质量流动进行了模拟研究,分析了环形分布器内的速度及静压分布规律,并与传统型式环形分布器进行对比,并考察了出口分布孔数目及进口熔盐流量对均布效果的影响。通过计算发现,改进结构的分布器均布特性优于传统结构;优选24个分布孔能够满足流体均布的要求,且分布孔达到36,流体均布情况基本稳定;减小进口熔盐流速,进口区域速度及静压波动较小,减小了进口能量损耗,有利于流体均布。     

径向流动反应器流体力学特性研究

本文提出了表征径向流动反应器内流体流动规律的数学模型.该模型为一特殊的二阶微分方程的边值问题.对于Ⅱ型流动:Au′u″+Bu′u+Cu~2=0对于Z型流动:Au′u″+Bu′u+Cu′+Eu~2+F(1-u)~2=0边界条件为y=0,u=1;y=1,u=0式中模型参数A、B、C、E、F决定于径向反应器分布流道结构尺寸、穿孔阻力系数和径向床层特性等因素.为简化Ⅱ型径向反应器边值问题的求解过程,本文推荐一种解析求解方法.该模型应用于径向氨氧化炉操作工况和径向氨合成塔设计工况的模拟,揭示了径向流动反应器内的流体力学特性.     

窄通道杆状发射药内孔燃气流动数值模拟

运用合理的简化假设,建立杆状发射药内孔通道燃气流动模型,利用Fluent软件求解器对长径比为40的某一特定单孔杆状发射药燃气在内孔的流动过程进行了数值模拟,在给定初始压力和温度的条件下模拟内孔燃气的速度分布及压力分布,并进行分析。结果表明,径向由孔中心到孔壁,燃气流速逐渐减小,压力逐渐增大;轴向燃气流速先逐渐减小,压力先逐渐增大,在10mm处突然形成速度和压力的震荡波,并随时间沿轴向传递,5ms后速度趋于平稳波动,压力整体保持波动并持续上升,但各点压力最终都保持稳定。     

流化床管式分布器内流场模拟和布气性能分析

以催化裂化装置（FCCU）再生器的管式气体分布器为研究对象,对流化床管式气体分布器的布气性能进行了分析。首先,对气体分布器分支管内的流场进行数值模拟,计算结果表明沿分支管内气体流动方向,压力逐渐增大,截面流量逐渐减少,沿程喷嘴流量逐渐增大;同时分支管上游入口还存在着明显的偏流现象,从而导致了上游喷嘴的出口流量小于设计流量,下游喷嘴的出口流量高于设计流量,造成流化床内非均匀布气。然后,依据分支管的变质量流动特点,将一般变质量流动的动量方程用于分析分支管内的流动过程,表明分支管的流动过程属于“动量交换控制模型”,具有始端静压低末端静压高的特点,固有压力分布不均匀的特征。这种不均匀的压力分布导致了喷嘴布气不均匀和磨损等系列问题。最后,结合流化床内的压力特点,综合分析气体分布器的分支管压降和喷嘴压降,明确了喷嘴出口流量与分支管压力分布的关系,喷嘴临界压降与设计压降的关系,结论表明分支管的结构改进可以优化和改善分布器的布气性能。     

滴流床反应器气液分布器CFD模拟

以溢流型滴流床反应器进口气液分布器为研究对象,利用计算流体力学方法(CFD)进行分布器的分析及开发。研究结果显示,对于大气液比、低喷淋密度的反应系统,在相同液层高度条件下,管内的气相流速显著影响过孔液速,气速较大时,液体过孔流速也相对较大。同时由于液量偏少,液体容易形成中心汇流,且难以向溢流方向的垂直方向扩散。采用双层碎流结构后能使液体在整个截面分布更均匀。     

微纳层叠聚丙烯腈凝胶流动特性的数值模拟研究

建立了层叠流道的三维模型和有限元网格模型，根据流变测试数据，采用Polymat对物料的黏度模型参数进行拟合，并利用Polyflow软件对聚丙烯腈（PAN）凝胶在层叠流道内的三维等温流动过程进行了数值模拟分析。研究发现，当入口流量增大时，层叠流道出口速度的不均匀性增加；沿流动方向流道内压力逐渐降低，并在出口处降低至同一最低值；流道进出口压力差与入口流量大小具有正相关性；在流道的中心截面上剪切速率分布均匀，波动较小。     

板翅换热器导流结构非线性映射与性能多目标优化

板翅式换热器入口位置纵向方向上的流体分布不均匀问题影响不同层之间流体传热。目前已有的导流结构采用试验方式确定部分参数,缺乏对导流结构参数优化。本文提出板翅换热器导流结构多目标优化分析方法,分别考虑导流结构中孔径、孔数、流体流速、板翅式换热器入口直径、导流结构在换热器入口处的位置、孔的间距等影响换热器入口处流体均匀分布的因素,构建导流结构压强与单位时间换热量的多目标优化数学模型。采用正交试验方法选择不同参数组合建立仿真试验模型,根据试验结果推导导流结构非线性映射方程,以BP神经网络与遗传算法相结合的方式对导流结构尺寸进行优化分析,得到导流结构多目标优化结果。采用Fluent数值模拟板翅式换热器导流结构参数优化前后流体均匀分布情况,通过对比无导流结构板翅换热器可以看出,对导流结构进行优化可以明显改善流体在换热器各层流道中的流动均匀性,提高换热量,强化换热器的传热性能。     

不同流量条件下导叶式旋流器内部流动的数值模拟

应用Fluent软件和雷诺应力模型(RSM)对导叶式旋流器内部三维强旋湍流流动进行了数值模拟,考察了不同入口流量对旋流器内速度场的影响。研究结果表明,旋流器内径向速度远小于切向速度和轴向速度,锥段的切向速度明显小于柱段的切向速度;随着流量的增加,各向速度均增加,最大切向速度的分布直径并不随流量的变化而改变,且最大切向速度位于准自由涡与准强制涡的分界处。通过计算还发现,在旋流器圆柱段存在循环流和短路流,锥段的上行区域均小于柱段,而且截面越靠底流口,上行区域越小。     

第三流体在冷却通道内流动换热数值研究

以某液氧煤油火箭发动机冷却系统设计计算为基础,基于计算流体力学(CFD),并采用三维流固耦合算法对以水作为第三流体的冷却循环系统进行了计算和分析。比较了冷却剂入口温度、流量和冷却通道内压力损失等因素对冷却通道内流动换热的影响。结果表明:冷却剂流量增加0.01kg/s,推力室壁面整体温度和喉部温度降低分别降低9K和15K左右,冷却剂出口干度降低0.011左右;当冷却剂流量较低时,入口温度变化对换热效果几乎无影响,而当冷却剂流量较高时,入口温度每增加10K,冷却剂出口干度增加0.009左右;冷却剂流量每增加0.01kg/s会导致冷却通道压力损失增加54kPa左右;入口温度每增加10K,冷却通道压力损失将减少24kPa左右。由此,本文得出冷却剂流量的最佳范围12~14.4kg/s,入口温度的范围为300~350K。     

流化床冷模布风板数值模拟研究

利用计算流体动力学(CFD)软件包fluent,研究流化床反应器中的气流通过冷模布风板时压降过大的问题。采用正交数值模拟仿真实验对不同的开孔形式和不同的开孔直径进行研究,分析了流化床内的速度场、压力场,确定出:(1)布风板开孔直径越小,压降越大,但流化床内的速度场越容易达到稳定;(2)布风板中心处尽量不要开孔;(3)布风板开孔直径相同时,排列方式为等边三角形比正方形时压降更小。     

低速旋转盘腔内液体流动特性

利用粒子图像测速测试平台研究了低速旋转盘腔轴向中截面的液体流动特性,并利用Realizable k-e模型对低速旋转盘腔内液体流场进行三维数值模拟,模拟结果与实验值吻合较好,最大相对误差为16.9%. 利用模型方程研究了导流板数、导流板相对长度、进口雷诺数和旋转雷诺数对盘腔内液体流动的影响. 结果表明,盘腔体积平均相对速度及涡量受进口雷诺数(Re)、导流板数、导流板相对长度影响较大,当进口Re从17000升至53000时,体积平均相对速度及涡量分别增加2.4倍和1.6倍;当导流板数由0提高至4时,体积平均相对速度及涡量增幅分别为62%和30%;当导流板相对长度由0.5提高至0.93时,体积平均相对速度及涡量增幅分别为114%和58%. 盘腔压损主要受进口Re的影响,当进口Re从17000升至53000时,盘腔压损增长8倍,而导流板数及导流板相对长度对压损的影响较小,增幅均小于5%. 为强化旋转盘腔内流体与壁面间传热,减小流体阻力,应优化进口Re、尽量增加导流板数和长度.