Ross LPD型静态混合器内湍流传热与混合强化特性

在湍流状态Re=2640~17600下,采用恒热通量传热实验与数值模拟相结合的方法,系统研究Reynolds数Re和交错角对Ross LPD型静态混合器内湍流流动与传热性能影响,采用Nusselt数、Darcy摩擦系数、综合传热系数、速度场与温度梯度和压力梯度协同角等参数评价混合器内传热强化性能;基于CFD与LPT相耦合分析混合器内流体微元拉伸率。研究结果表明：SST k-ω模型预测Ross型静态混合器湍流阻力及传热结果与实验结果具有很好一致性;Ross混合器流场内形成与流场尺度较为接近的纵向涡,其涡心在圆形截面与半圆形截面中心间周期性迁移,横截面内湍流分散混合效率是Kenics的3.36~1.72倍;当Re>7040时,Ross LPD综合传热性能明显优于KSM;当叶片夹角为30°时,综合传热性能系数具有最大值;Ross LPD内插件具有高效低阻的技术优势和结构改进潜力。     

Lightnin静态混合器内纳米流体湍流传热特性分析

静态混合器作为一种高效传热传质连续流强化设备,在化工过程强化技术中具有明显技术特色。由于缺乏纳米流体的物性对Lightnin静态混合器（LSM）内传热特性影响的研究,一定程度上制约了LSM强化传热应用的进一步推广。本文采用混合多相流模型和SST k-ω湍流模型,在Re=8000~28000和恒热流密度条件下,从熵产以及速度场与温度场的协同性等方面分析纳米颗粒的体积分数、种类及粒径大小对LSM内传热特性的影响。结果表明,随着Cu纳米颗粒体积分数的增加,纳米流体的综合传热性能及温度场与速度场的协同性能逐渐增强,总熵产率和Be数逐渐减小,体积分数为0.5%~2.0%的Cu-H₂O的纳米流体在Re=8000~28000范围内的综合传热性能系数（PEC）分别达到2.16~2.25、3.16~3.25、3.94~4.15及4.64~5.16。Cu-H₂O、Al₂O₃-H₂O及CuO-H₂O这3种纳米流体相比,Cu-H₂O纳米流体的强化传热性能要远好于其他两种纳米流体,Al₂O₃-H₂O及CuO-H₂O纳米流体的平均PEC分别是Cu-H₂O纳米流体的0.47倍和0.46倍。随着Cu纳米颗粒粒径的增加,纳米流体的综合传热性能和温度场与速度场的协同性能逐渐减弱,总熵产率和Be数逐渐增加。     

四叶片组合静态混合器湍流传热性能的数值模拟分析

采用Fluent计算软件对四叶片组合静态混合器内湍流换热进行数值模拟并与SK型静态混合器进行对比,结果表明,在104≤Re≤105范围内,前者的传热效率比后者提高约20%. 运用场协同理论对结果进行了分析,新型静态混合器传热效率较高的主要原因为,在一个截面上有4个旋向与叶片旋向相同、旋涡半径近似等于叶片半径的纵向涡及4个旋向与叶片旋向相反、旋涡半径小于叶片半径的纵向涡,这些纵向涡能强化换热;与SK型静态混合器相比,新型静态混合器管内温度梯度基本相同,管内中心区二次流流速一定程度降低,而近壁区二次流流速差别较小,但速度场与热流场的协同程度得到明显改善.     

内插不同形状涡产生器管内层流流动与传热特性的对比分析

内插扰流元件是一种可操作性强的管内强化传热方式，其强化传热机理主要是在管内诱导产生了二次流。在均匀壁温热边界条件下，对内插不同形状涡产生器管内层流流动与传热特性进行了数值分析。研究发现：在扭带基础上裁去部分面积相同的条件下，管内插等腰梯形涡产生器的换热能力最强，直角梯形涡产生器次之，矩形涡产生器的换热能力最差，管壁上的局部Nusselt数的峰值所在圆周位置及其大小与涡产生器形状有关，而不同形状的涡产生器对管内流动的阻力系数影响较小。插入涡产生器后，管内二次流强度参数Se和平均Nusselt数Nu均随Reynolds数Re的增大而增大，二者随Reynolds数Re的变化规律具有一致性。平均Nusselt数Nu与二次流强度参数Se呈幂函数相关，内插涡产生器管内的二次流强度决定了其对流换热强度。     

射流卷吸边界层内相干结构的实验研究

在轴对称水射流实验台上,采用单帧长曝光图像法,测量了出口Reynolds数在1849~2509范围内的卷吸边界层内流场结构。发现在流向距离L=2D~3.5D,径向距离H=D~1.25D的区域内,流场中吞噬作用和侵蚀作用两种卷吸模式交替出现。分析得到,当Re>1915时,吞噬作用所占的比例随着Re的增大而增大,当Re>2311之后,Reynolds数对该结构发生概率的影响降低;通过快速傅里叶变换得到该相干结构发生的频率在10～19Hz之间;吞噬作用发生的同时在流场中观测到一些特殊涡结构。同时采用运动单帧长曝光图像法对射流流场进行拉格朗日法观测,发现射流流场中的涡结构一般存在于湍流与非湍流界面附近。     

潜热型功能热流体在微小管道内的换热特性

针对现代电子器件的散热需求,采用潜热型功能热流体为工作介质进行实验,并搭建流动换热实验台,研究5%、10%和15%质量分数下潜热型功能热流体与去离子水在微小圆形管道内的换热特性,结果表明,在雷诺数Re为300~1000范围内,潜热型功能热流体均表现出比水更好的冷却性能及更低的壁面温度,在实验测试范围内,相变引起的壁面温度降低率最大可达26.8%;潜热型功能热流体平均Nu随着流动Re数的增加而增加,并通过对实验数据分析,拟合了平均Nu数与流动Re数、质量浓度和流体Pr数的经验公式,最大偏差不超过7.5%,可以较好反应潜热型功能热流体的换热特性;潜热型功能热流体沿着管道长度方向的强化换热比与潜热型功能热流体浓度及流动Re数有关,存在强化换热的最佳长度。     

SK型静态混合器流体湍流时传热性能的研究

为了获得SK型静态混合器的传热性能,将不可压缩流体在静态混合器中的螺旋形运动分解成直线运动和旋转运动,依据普兰特-台劳模型运用传热学的理论分别求解两种运动端流情况下的传热效率,进行叠加后得到SK型静态混合器湍流时努塞尔特准数理论计算式,再考虑到推导过程中的各种近似而用修正系数加以修正.以水为实验介质对SK型静态混合管的传热性能进行了实验测量,在一定的雷诺准数和普兰特准数范围内测得努塞尔特准数理论计算式的修正系数.     

自由摆动方柱强化微流体通道内传热传质

提出了一种基于自由摆动方柱提高微流体通道内传热传质效率的新方法。基于有限体积法并结合动网格技术，对微通道内液体流经自由摆动方柱（有旋转自由度、无平移自由度）时产生的扰流及强化传热传质现象进行了数值研究。研究显示，在低雷诺数（Re=10）下，自由摆动方柱几乎无运动，其对流动和传热传质的影响同固定方柱类似；随着雷诺数的增加，自由摆动方柱在流场作用下会自发产生周期性摆动，并在较低雷诺数（Re=50）下提前促使其后方产生交替性的涡脱落现象；随着雷诺数进一步增加（Re=100），方柱的自由摆动及其后方的涡街结构均显著增强。与同Re数下的固定方柱相比，自由摆动方柱能够更显著地扰动微通道内原有的泊肃叶流场，破坏通道内壁面处热边界层，提高其传热效率；同时通道内液体的横向流动可有效促进溶质混合，强化传质进程。当Re=100时，自由摆动方柱微通道内的平均换热努塞尔数Nu较固定方柱和无方柱时分别提高了17.5%和29.6%；同时，出口截面混合效率可较固定方柱和无方柱时分别提高了70.5%和65500%。     

微通道内单柱绕流特性的Micro-PIV实验研究

采用微观粒子成像系统（Micro-PIV）实验研究了6<Re<300范围内微通道内D=0.4mm圆柱的绕流特性，获得并分析了不同Re下不同高度流层的速度场、涡量场、湍流强度场及回流区漩涡结构。研究结果表明，微圆柱绕流出现漩涡的第一临界Re在10左右，随着Re的增大，尾流区涡长度和宽度增加，尾流区域增大，漩涡中心后移；由于黏性阻滞，越靠近微通道壁面，主流速度越低且分布越均匀；不同高度下回流区长度相同，远离壁面的平面尾流区漩涡中心沿流动方向后移；高涡量区与高湍流强度区分布在微圆柱两侧，说明该位置流体混合较为剧烈，随着Re的增大，涡量增加，高涡量区变窄、变长，湍流强度及高湍流强度区域增大，当Re>200，不同高度流层的湍流强度差别较小。     

磁场对熔盐射流冲击传热的影响

以永磁铁构建定磁场，进行外加磁场作用下熔盐射流冲击传热的实验研究，并得到Nusselt数Nu驻点关联式和径向分布。结果表明，在驻点区范围内，Nusselt数较无磁场作用时增大，传热得到比较明显的增强，而在壁面射流区，这种强化传热效果逐渐减弱。此外，当Reynolds数Re一定时，熔盐Nusselt数随着磁场强度的增加而增大，且驻点处强化传热效果最为显著。在Reynolds数Re=6400与磁场强度B=2800 Gs条件下，熔盐驻点Nusselt数Nu₀提高约6％，可见磁场作用对熔盐射流冲击传热具有一定的强化效果。     

水平液固循环流化床换热器传热性能评价

对管内插入Kenics静态混合器的水平液固循环流化床换热器进行实验研究,实验考察了静态混合器扭率、静态混合器安装方式、液体流速、颗粒体积分数对传热性能和流阻性能的影响,并运用综合强化传热性能评价指标（PEC）对其进行分析。实验发现,传热性能和阻力系数均随扭率增加而减小。当雷诺数在10000~45000之间时,扭率为1.5、2、2.5、3.5的Kenics静态混合器的PEC指标均大于1,说明了水平流化床换热器插入Kenics静态混合器能够改善传热。在雷诺数达到25000左右、Kenics静态混合器扭率为2.5、颗粒体积分数为4%时,水平流化床换热器的PEC指标最高达到1.18。当两个扭率均为2.5的Kenics静态混合器安装间距为200mm时,水平流化床换热器的PEC指标最高。     

LAMINAR FLOW HEAT TRANSFER WITH INLINE MIXERS INSERTS

Heat transfer coefficients were measured for heat transfer to a Newtonian fluid flowing in laminar flow through a tube with inline mixer inserts. Kenics “Static” mixer and Ross LPD mixer inserts were studied as heat transfer augmentation devices. The mixer inserts were in the inner tube of a concentric tube heat exchanger. Steam was condensed in the annulus of the exchanger. Significant heat transfer enhancement was obtained with both inserts at the expense of even greater pressure drop increases. The use of the Ross mixer insert gave greater augmentation than did the use of the kenics insert. An analysis using the analogy between momentum and heat transfer allowed the prediction of heat transfer coefficients from pressure drop measurements. The predicted coefficients were in good agreement with experimentally measured heat transfer coefficients for laminar flow.     

LAMINAR FLOW HEAT TRANSFER WITH INLINE MIXERS INSERTS

Heat transfer coefficients were measured for heat transfer to a Newtonian fluid flowing in laminar flow through a tube with inline mixer inserts. Kenics “Static” mixer and Ross LPD mixer inserts were studied as heat transfer augmentation devices. The mixer inserts were in the inner tube of a concentric tube heat exchanger. Steam was condensed in the annulus of the exchanger. Significant heat transfer enhancement was obtained with both inserts at the expense of even greater pressure drop increases. The use of the Ross mixer insert gave greater augmentation than did the use of the kenics insert. An analysis using the analogy between momentum and heat transfer allowed the prediction of heat transfer coefficients from pressure drop measurements. The predicted coefficients were in good agreement with experimentally measured heat transfer coefficients for laminar flow.     

Numerical investigation of the performance of several static mixers

The performance of six static mixer (Kenics, Inliner, LPD, Cleveland, SMX and ISG) are compared using 3D numerical simulations in laminar creeping flow regime. Numerical pressure drop results are tested against experimental ones, showing overall a good agreement. Besides pressure drop, four criteria (extensional efficiency, stretching, mean shear rate and intensity of segregation) are chosen to compare the static mixers. It appears that Kenics, Inliner, LPD and Cleveland mixers are rather similar. The ISG mixer seems better than this first group of mixers, but pressure drop is too high compared to other advantages. From our numerical results, SMX appears to be the most efficient of the six compared static mixers.     

幂律流体在Kenics型静态混合器中流动特性分析

为了探究Kenics型静态混合器内扭旋叶片剪切作用对幂律流体流动的影响,利用旋转流变仪测量了浓度为0.5wt%, 0.7wt%, 0.9wt%的羧甲基纤维素(CMC)水溶液的流变参数,采用数值模拟与实验研究了扭旋叶片作用下幂律流体流动阻力和剪切稀化特性。对流场研究表明,扭旋叶片诱导产生了内流涡旋、绕流涡旋和近壁面涡旋,有效强化了静态混合器内流体流动的剪切作用。受多个纵向涡旋分布的影响,扭旋叶片局域流场中周向45°位置速度最高,周向30°位置涡量与剪切应力最高而黏度最低。径向0.4倍半径位置速度最高,0.7倍半径位置黏度最高。静态混合器有效提高了流体的二次流流动速度和剪切应力,降低了幂律流体的黏度和流动阻力系数。     

KENICS型静态混合器结构参数的改变对单相流的阻力和传热的影响

文中对八种规格的Kenies型静态混合器进行了立式装置内的空气阻力和传热对比试验,得到了Re=2300—20000范围内的f～Re和Nu～Re关联式;分析了机理;评价了性能;认为适当增加它的标准型元件的扭率和扭角以及使元件之间有一定的间距,可显著降低流动阻力损失,而仍能基本保持标准到的较高的强化传热效果.     

Kenics型静态混合器和GK型静态混合器流场的数值模拟及比较

采用计算流体动力学(CFD)的方法,分别计算了Kenics型静态混合器和GK型静态混合器内的流场。数值模拟的结果表明,Kenics型静态混合器内流场的湍动强度大于GK型静态混合器的,导致了Kenics型静态混合器的流体阻力和传热系数大于GK型静态混合器的。GK型静态混合器的压力降大约只是Kenics型静态混合器压力降的0.554~0.579倍,但两者的传热膜系数相差不大。GK型静态混合器具有较强的综合性能。