不同翼片扰流特性的PIV对比实验

利用粒子成像测速(PIV)技术对圆管内置梯形翼片后方流场进行了测量,分析了翼片迎流(UFW)和顺流(DFW)两种放置方式对流场的扰动特性。结果表明,迎流翼片形成的涡沿周向延展范围较大,持续性好,涡偶内侧为向壁流;顺流翼片形成的涡沿径向延展范围较大,在较短距离内扰动较为明显,涡偶内侧为背壁流。两种流动结构都能有效提高壁面附近的速度分量,促进主流和壁面附近流体的质量交换。随着Reynolds数增大,纵向涡的稳定性减弱,在Re=3000时,翼片的扰流效果均较好。     

圆管内置梯形翼片的流场特性PIV实验

诱导流体产生纵向涡结构可以有效强化对流换热,因此研究纵向涡发生器的扰流特性对于深化强化传热机理具有重要意义。利用粒子成像测速(PIV)技术,对圆管内置梯形翼片扰流后的流场进行了测量,实验中4个梯形翼片沿周向均布,与管壁夹角135°呈迎流放置,分析了横、纵截面内的流场结构和流动特点。结果显示,管内放置翼片能够诱导形成多纵向涡流动,在下游产生了4个对称的涡偶,每个涡偶对应的两个涡旋转方向相反,形成了内侧向壁流,外侧背壁流的流动结构,增大了垂直于主流方向上的速度分量。实验涉及的Reynolds数范围内,翼片下游横截面内的横向速度和径向速度分别达到主流均速的27%和20%以上;纵向涡沿壁面向下游发展可对流体产生持续扰动,使近壁流体的速度相对于光滑管提升了约1.0～3.6倍;翼片对流体的扰动作用随着Reynolds数的增大而增强,对于圆管内对流换热的强化具有促进作用。     

三维凹壁面切向射流流动特性分析

在立式圆筒体分层器内设置半圆形截面切向入口,形成三维凹壁面切向射流,以提高非均相物料机械分离效率。为了揭示三维凹壁面切向射流流动机理,利用示踪剂浓度实验和大涡模拟研究了凹壁面切向射流流动特性,并对浓度场沿流向和展向扩展进行了评价。研究结果表明,示踪剂浓度半值宽随着入口Reynolds数的提高扩展范围增加,流向扩展率为0.019～0.033,展向扩展率为0.079～0.161。在离心力作用下,入口周向60°范围内浓度半值宽沿流向收缩至射流宽度的2/3。圆筒体内壁面存在多个周向滚动发展的流向涡旋,但无展向涡旋。切向速度半值宽和涡量边界值在流向涡旋中心位置出现峰值,展向无明显波动。入口周向180°范围内,未发现二次流涡旋,沿射流流向的切向速度半值宽与圆筒体半径之比小于0.1,未达到离心不稳定性二次流的形成条件。凹壁面切向射流有效降低了涡旋对分层器内主流体的扰动。     

三维凹壁面切向射流流动特性分析

在立式圆筒体分层器内设置半圆形截面切向入口，形成三维凹壁面切向射流，以提高非均相物料机械分离效率。为了揭示三维凹壁面切向射流流动机理，利用示踪剂浓度实验和大涡模拟研究了凹壁面切向射流流动特性，并对浓度场沿流向和展向扩展进行了评价。研究结果表明，示踪剂浓度半值宽随着入口Reynolds数的提高扩展范围增加，流向扩展率为0.019～0.033，展向扩展率为0.079～0.161。在离心力作用下，入口周向60°范围内浓度半值宽沿流向收缩至射流宽度的2/3。圆筒体内壁面存在多个周向滚动发展的流向涡旋，但无展向涡旋。切向速度半值宽和涡量边界值在流向涡旋中心位置出现峰值，展向无明显波动。入口周向180°范围内，未发现二次流涡旋，沿射流流向的切向速度半值宽与圆筒体半径之比小于0.1，未达到离心不稳定性二次流的形成条件。凹壁面切向射流有效降低了涡旋对分层器内主流体的扰动。     

内插梯形扰流片的矩形通道内涡流和传热特性

利用Realizable k-ε湍流模型对带缺口的梯形扰流片进行流动和传热特性的数值模拟,研究了梯形扰流片的缺口位置及流动方式对矩形通道内流场以及传热的影响,同时通过对涡量、流线、流速分布、压力变化、湍流强度等的分析,揭示了扰流片强化传热的机理。结果表明,逆流时Nusselt数比顺流时提高了21.7%,同时摩擦因子也提高了25%。顺流时内侧缺口绕流片提高了传热系数的同时也增加了摩擦阻力,而外侧缺口的绕流片降低了传热系数同时也降低了形状阻力。研究发现较低Reynolds数下(10000相似文献   

流线型涡发生器与螺旋片强化换热器壳侧传热

为降低翅翼型纵向涡发生器与螺旋片复合强化的套管式换热器壳侧传热阻力,提出一种新型翅翼型纵向涡发生器,即流线型涡发生器。采用实验和数值模拟方法研究了流线型涡发生器与螺旋片复合强化的换热器壳侧的传热和阻力特性并与三角翼型涡发生器（DWP）的强化效果进行比较,考察了流线型涡发生器common-flow-down（CFD）和common-flow-up（CFU）两种安装方式的强化效果,分析了流线型涡发生器的减阻机理。结果表明,在涡发生器面积和迎流角相同的情况下,流线型涡发生器可以取得与三角翼型涡发生器相同（Re<8000）或略低（Re>8000）的传热系数,但其产生的流动阻力比三角翼型涡发生器低21%;在相同压降条件下,common-flow-up安装方式的综合传热效果优于common-flow-down;流线型涡发生器减阻机理在于提高了速度场与压力场的协同性。     

Rushton涡轮搅拌槽内流场特性及颗粒运动行为数值模拟

基于计算流体动力学（CFD）方法,采用大涡模拟（LES）和拉格朗日颗粒追踪技术计算了Rushton涡轮搅拌槽内流场特性及三种St颗粒的运动行为。平均流场（切向速度、轴向速度和径向速度）、颗粒速度及浓度分布方面与实验值的吻合度较好,验证了数值模拟的可靠性。结果表明,搅拌流场及颗粒运动均呈现循环流特性,当转速N=313r/min不变时,St=0.24的小颗粒几乎实现了均匀分布;而St=37.3的大颗粒与流体的跟随性较差,底部沉积率较高,容器顶部会出现一定的颗粒空白区。叶轮附近产生一系列的湍流涡结构,并且由于剧烈的颗粒-壁面碰撞,该位置颗粒拟温度最高;小颗粒（St=0.24）的运移主要受叶片后方尾涡的控制,均匀分布在低涡量区;而大颗粒（St=37.3）由于具有较大的惯性,运动不再由涡主导,很快被叶轮甩向边壁,穿过了尾涡所形成的高涡量区,故而叶轮对附近大颗粒的搅拌效果较差。     

微通道内液-液泰勒流传热的计算流体力学模拟

微通道内的液-液两相流型在低流速时以泰勒流为主,本文使用计算流体力学方法,对微通道内液-液泰勒流的传热特性进行了研究。首先考察了分散相流速、物系和管径对微通道壁面温度的影响。结果表明:分散相流速和物系热导率增大使得微通道壁面温度降低,管径的改变对微通道壁面温度影响较小。然后针对当量直径为0.5mm的微通道内工作介质为甲苯和水的两相泰勒流模型,考察了微通道壁面剪切力、界面涡度和努塞尔数对壁面和内部温度的影响,并与文献中气-液两相泰勒流的传热性质作了比较。结果表明:壁面剪切力和界面涡度对管壁和界面温度的波动性变化有一定影响,壁面剪切力和界面涡度的波峰往往出现在温度的波峰附近,并且有一定的时间滞后性。甲苯-水两相泰勒流动下的壁面努塞尔数比气-液两相流大得多,液弹单元的平均努塞尔数是相同条件下单相流体流动的1.3倍。     

腰槽开孔矩形翼涡流发生器的传热和流阻特性

涡流发生器是一种广泛应用的被动强化传热元件,在换热器的换热壁面上以阵列形式布置。涡流发生器靠诱导和产生涡旋来削减或破坏壁面边界层从而达到强化换热。本文对安装腰槽开孔矩形翼涡流发生器和未冲孔矩形翼涡流发生器以及圆孔矩形翼涡流发生器的矩形通道进行了传热和流阻特性的实验研究。实验雷诺数范围为Re=1000~4000。结果表明:在相同雷诺数下,安装有腰槽开孔矩形翼涡流发生器的矩形通道的换热效果和流阻特性优于未冲孔矩形翼涡流发生器和圆孔矩形翼涡流发生器,腰槽开孔矩形翼涡流发生器综合换热性能最好。涡流发生器布置攻角和纵向间距对腰槽开孔矩形翼涡流发生器传热和流阻有较大影响,对比不同涡流发生器布置攻角和纵向间距,得出90°攻角布置和纵向间距为80mm布置的腰槽开孔矩形翼涡流发生器总和换热性能最好。     

高效转子式选粉机的数值模拟的研究

设计高效转子式选粉机,利用ANSYS CFX11.0软件进行数值模拟研究高效转子式选粉机内部流场。发现转子转动条件下,转子附近分级区域的速度不是沿转子叶片均匀分布,其流场因转子的转动分成两部分：一部分进入转子,在转子内部形成巨大的涡,具有较小的切向速度。一部分与转子上部形成60°左右的夹角,与壁面之间形成一个涡,这两部分的流场形成双层强流场。通过对气固两相流运动模拟发现处于60 μm与100 μm之间颗粒部分通过转子区域。     

平直和柱面小翼涡发生器诱发流动特性PIV实验研究

在Re=700、攻角α=60°时,利用粒子图像测速技术(PIV)研究了矩形通道内平直和柱面小翼诱发的流动结构,获得涡发生器(VG)后1~3倍弦长距离的速度场和涡量场。结果表明,三角小翼的涡结构主要分布在斜边中心和后缘角区;梯形和矩形小翼的涡结构主要分布在前缘翼梢区域和后缘区域;此外,柱面梯形小翼中心区域的涡结构明显,影响范围最大。随着流动的进行,涡结构强度逐渐减弱,三角小翼仅维持一个主涡向下继续运动;梯形和矩形小翼也仅维持一个主涡和一个后缘角涡的结构。随着斜截角的减小,前缘和中心区域诱发高强度涡结构的能力增强,影响范围也广,而后缘角涡的影响范围较小,且与底部壁面的距离较远。     

基于旋涡强度法的湍流泡状流混合层流动

用旋涡强度法对PIV测得的湍流泡状流混合层流动进行研究,混合层高低侧流速之比为4∶1,基于速度差和管道水力直径的Reynolds数范围为4400～132000。气泡分别从隔板尾部混合层的中心起始位置与低速侧注入流体,直径为0.5～2 mm。利用旋涡强度法分析流场清楚地显示出排除了剪切作用的涡结构主要集中在混合层中心的锥形区域,随着Reynolds数的增大,旋涡强度的值不断增大而锥形区域不断变窄。在同一Reynolds数下,沿主流方向旋涡强度先增大、后减小。从混合层中心注气时气泡主要分布在隔板下游旋涡强度值较大的区域,而低速侧注入的气泡主要分布在低速侧,但由于涡结构的卷吸作用,低速侧注入的气泡也会进入隔板下游的中心区域。与单相流动相比,低Reynolds数情况下气泡的加入可以加剧流场本身的变化,而高Reynolds数时则对旋涡强度产生的影响较弱。     

Flow Characteristics in a Vortex Chamber

In this article we examine confined swirling flows using the integral equations of continuity and energy, along with the minimum pressure criterion. The pressure drop and the core size have been studied in the swirling confined vortex chamber. Both the n = 2 vortex model, with reverse and non‐reverse flow, and the free vortex model have been used at the vortex chamber exit plane. The influence of vortex chamber geometry, such as contraction ratio, inlet angle, area ratio, aspect ratio, and Reynolds number, on the flow field has been analyzed and compared with the present experimental data. The pressure drop across the vortex chamber differs from that in pipe flow, due to the mechanism of swirl flow that depends mainly on the intensity of tangential velocity. If the chamber length is increased, the vortex decays producing a weaker tangential velocity (less centrifugal force) that leads to less pressure drop. Based on the present theory, a new approach to determine the tangential velocity and radial pressure profiles inside the vortex chamber is developed and compared with the available experimental data. It shown that the n = 2 vortex model with reverse flow gives better results for strongly swirling flow.     

圆管内轴向旋转流切向速度湍流强度

采用热线风速仪(hot wire anemometry,HWA)测量了ø300 mm×2000 mm圆管内轴向旋转流瞬时切向速度随时间的变化,重点分析了切向速度湍流强度的分布特点和旋转流摆动对切向速度湍流强度的影响.测量结果表明,瞬时切向速度由高频的湍流脉动速度和低频的波动速度叠加构成.由于受旋转流旋转中心偏离圆管几何中心造成的旋转流摆动的影响,在圆管中心区域瞬时切向速度随时间的波动速度变化较大,边壁区域瞬时切向速度随时间的波动速度变化较小.通过对瞬时切向速度数据进行概率密度分析可知,切向湍流强度不仅受气流脉动的影响,还受旋转流中心摆动的影响,是由自身气流脉动产生的湍流强度和旋转流摆动产生的湍流强度两部分叠加构成.旋转流摆动导致了中心区域的湍流强度远大于边壁面区域的湍流强度.     

固定床中错流流动的流场研究

实验分别测定了气体垂直于单根和两根圆管呈错流流动时固定床内的压力分布,经数学模拟获得床层中流体的压力分布、速度分布及流函数。对于固定床中内置单根圆管,沿主体流动方向的速度分量u在圆管左右两侧离管中心的2．0Dt范围内显著增大,其影响范围一直延伸到床层边缘;而在圆管正前、后方近壁处,由于管的阻挡,“显著下降,约为主体流速的40％,影响范围在1．5Dt左右;随着离开圆管距离的增大,其影响减弱。垂直于主体流动方向的速度分量v,在圆管前后被影响范围约相当于圆管直径,而在圆管左右两侧的影响范围约相当于2．0Dt。影响的深度随雷诺数的增大而增加。对于内置两根圆管的错流流动,沿主体流动方向的速度分量“在圆管前后呈现流速下降、管间流速增大的波形曲线,其波峰和波幅的大小与管间距、离管中心的距离及Rep有关。     

直插式垫条型缠绕管式换热器过程强化

为增强缠绕管式换热器的综合换热性能,本文提出一种沿径向安装于缠绕管式换热器芯筒内壁上的直插式垫条型内插件。通过数值模拟的手段,研究了直插式垫条型缠绕管式换热器的流动与换热性能。相比于传统结构,直插式垫条在固定管束相对位置的同时也可作为涡发生器,影响管束形成的尾流场,对管束边界层产生持续的扰动,增强缠绕管式换热器的综合换热性能。计算结果表明,在相同的进口工况下,直插式垫条型缠绕管式换热器壳侧努塞尔数相比于传统结构提高了13.01%～15.55%,压降升高了1.3%～4.3%,综合换热性能可提高7.4%~10.5%。并在此基础上研究了直插式垫条不同的排布方式对流动及换热性能的影响,在雷诺数5000～24000的工况条件下,直插式垫条对齐排方式的综合换热性能最优;在雷诺数24000～30000的工况条件下,直插式垫条交错排布的综合换热性能最优。     

Convective mass transfer enhancement in a membrane channel by delta winglets and their comparison with rectangular winglets☆

Numerical calculations were conducted to simulate the flow and mass transfer in narrow membrane channels equipped with delta winglets, which are often used as longitudinal vortex generators to enhance heat transfer in heat exchanger applications. The channel consists of an impermeable solid wall and a membrane. The delta winglets are attached to the solid wal surface to enhance the mass transfer near the membrane surface and sup-press the concentration polarization. The winglet performance was evaluated in terms of concentration polariza-tion factor versus consumed pumping power. Calculations were implemented for NaCl solution flow in a membrane channel having a height of 2.0 mm for Reynolds numbers ranging from 400 to 1000. The delta wing-lets were optimized under equal pumping power condition, and the results of optimization suggest winglet height of 5/6 of the channel height, aspect ratio of 2.0, attack angle of 30°, and a winglet interval equal to the chan-nel height. The optimal delta winglets were compared with the optimal rectangular winglets we found previous-ly, and it is shown that the rectangular winglets yield a somewhat better performance than the delta winglets. ? 2015 The Chemical Industry and Engineering Society of China, and Chemical Industry Press. Al rights reserved.