气流横向冲刷圆壳管束的传热实验研究

对气流横向冲刷圆壳管束的传热和阻力性能进行了实验研究,对不同进气扩张角对传热与阻力的影响进行了测试,并与气流横向冲刷方形区域均匀布管管束比较,结果发现,均匀进气方形区域布管的传热性能好于扩张角进气圆形区域布管,但阻力增大,综合性能前者好于后者。对于扩张角进气圆形区域布管,扩张角增大,换热增强,阻力增大,综合性能较好。     

气流横向冲刷圆壳管束换热的数值模拟

采用标准k-ε模型、SIMPLEC算法,研究了均匀速度进气和有扩张角进气横向冲刷管束的换热情况。比较了在充分发展流时均匀进气和不同扩张角进气横向冲刷管束的换热性能,分析了进口扩张角对换热的影响,进口扩张角影响了气流的分布,导致换热效果的不同。     

非均匀热流边界条件下螺旋管内流动传热的场协同分析

建立了螺旋管内流动换热的物理数学模型,对均匀和非均匀热流边界条件下螺旋管内湍流传热进行了数值模拟。结果表明：当对螺旋管表面施加相同的加热功率时,均匀热流边界条件下湍流传热系数高于非均匀热流边界条件下的湍流传热系数,且均匀热流边界条件下螺旋管内的场协同角低于非均匀热流边界条件;非均匀热流边界条件时,在相同的De下,曲率较小的螺旋管传热系数大,且曲率较小的螺旋管内场协同角较小;同时,随着管径的增大,螺旋管内的传热系数也随之下降,但螺旋管内的场协同角随之增大。     

非均匀热流边界条件下螺旋管内流动传热的场协同分析

建立了螺旋管内流动换热的物理数学模型,对均匀和非均匀热流边界条件下螺旋管内湍流传热进行了数值模拟。结果表明:当对螺旋管表面施加相同的加热功率时,均匀热流边界条件下湍流传热系数高于非均匀热流边界条件下的湍流传热系数,且均匀热流边界条件下螺旋管内的场协同角低于非均匀热流边界条件;非均匀热流边界条件时,在相同的De下,曲率较小的螺旋管传热系数大,且曲率较小的螺旋管内场协同角较小;同时,随着管径的增大,螺旋管内的传热系数也随之下降,但螺旋管内的场协同角随之增大。     

旋流片强化传热的数值模拟和场协同分析

基于壳程周期性单元流道模型;采用数值模拟方法分析了一种新型的传热强化元件——旋流片作为管间支撑物的湍流流动与传热特性。数值模拟采用重整化（RNG）κ ε双方程湍流模型;SIMPLEC算法进行压力和速度的耦合;壁面处理采用强化壁面处理法。分析了单元流道横截面流场和湍流强度的周期性变化;以及截面上流场和温度场的协同关系。比较了截面平均Nusselt数和平均协同角的对应变化趋势。结果表明;旋流片使流体在管束间做三维螺旋运动;破坏了流体流动的连续性和稳定性;增强湍流强度从而强化传热;同时改变了管束间流体的速度场与温度场分布;旋流片强化传热的根本机理是改善了两场的协同关系。     

椭圆管连续螺旋折流板换热器壳侧性能评价及三场协同分析

提出了一种新型的椭圆管连续螺旋折流板换热器。利用ANSYS CFX软件对壳侧流动与传热进行了数值模拟,并采用性能评价图及三场协同原理分析其壳侧性能。结果表明:在研究范围内,以椭圆管替代传统圆管管束后,在维持传热面积基本不变的前提下,壳侧压降降低72%～80%,综合换热性能提高32%～40%。应用性能评价图分析发现椭圆管在强化换热的同时也大大减小了压降。这是由于在相同的速度场与温度场协同前提下,椭圆管使速度场与压力场更好地协同,实现高效低阻强化传热的目的。     

场协同理论在聚合物加工中的应用

对场协同强化传热理论在聚合物加工中的应用进行了探索性研究。采用数值计算方法分析了聚合物塑化系统中不同螺杆结构的流动与传热特性,对螺纹元件、Maddock元件、销钉元件进行了传热分析,验证了场协同原理在聚合物非牛顿流体强化传热中的可行性。基于场协同理论,提出了一种新型螺杆结构——扭转元件,并对2种扭转元件构型进行了场协同强化传热分析。结果表明,场协同原理可以很好地解释高黏度非牛顿流体的强化传热现象,以此为理论基础设计的新型扭转结构能够较好地改善速度场与温度梯度场的协同性,提高对流换热系数,强化对流换热性能。     

旋流片支撑缩放管管束传热与流动的数值模拟

通过数值模拟,以水为工质,研究了湍流时旋流片支撑缩放管管束管间的传热综合性能,并与无支撑光滑管管束、无支撑缩放管管束及旋流片支撑光滑管管束的传热性能进行了对比,分析了不同结构参数对其传热综合性能的影响;揭示了旋流片支撑缩放管管间流体速度场与温度场之间的协同性。结果表明:旋流片支撑急扩慢缩型缩放管管束相对急缩慢扩型具有更好的传热综合性能,且都比旋流片支撑光滑管管束的传热综合性能好,但二者都没有对应的无支撑缩放管管束综合性能好;具有小角度跟大扭率结构的旋流片更有利于旋流片支撑管束传热综合性能的提高;相对旋流片支撑光滑管管束与无支撑缩放管管束,旋流片支撑缩放管管束强化传热的原因在于传热场协同的增强作用更为明显。考虑管间支撑物支撑管束与抗振的必要性,旋流片支撑缩放管管束是一种高效的壳程强化传热措施,文中条件下通过优化,最大传热综合性能能达到1.057。     

管内插入旋流片的流动和传热的数值模拟

为了获得较好的传热性能,提出一种在缩放管内间隔插入旋流片的复合强化传热方法。采用水为流动介质,在湍流状态下,通过数值模拟,详细研究了缩放管内插入旋流片的速度场与热流场的分布特性及其相互间的协同。对缩放管插入不同结构旋流片的热阻性能与缩放管和光滑管进行了比较,模拟结果表明,在相同条件下,传热系数和阻力系数最大分别提高25%,120%,120%,370%。缩放管与旋流片的复合使用能有效地改善速度场和温度场的协同程度,是提高换热性能的一个有效手段。     

强化换热凹槽管内流动与传热数值模拟

以水为工作介质,应用三维常物性不可压缩流体稳态湍流模型,对凹槽管内的流动、阻力与传热性能进行了模拟研究,并与光滑管进行对比。结果表明,凹槽管主要通过扰动、漩涡使层流底层的局部温度梯度变大,从而使换热性能比光滑管强。凹槽结构能显著增强流体的扰动和相互掺混,并产生径向漩涡,减小边界层厚度,加剧流体湍流,促使边界层表面快速更新,从而强化传热,但同时也使其流动阻力增加。最后应用场协同理论,从局部换热角度分析了凹槽管强化换热的机制。强化换热另一重要途径是使换热器内速度场与温度梯度场之间夹角变小,改善速度场与温度场协同程度。     

急扩加速流缩放管气体换热器的结构及应用

根据传热场协同理论,研发出改进型缩放传热管——急扩加速流缩放管,对缩放管的凹凸肋面作了改进,使其能满足两场矢量夹角小于90°强化对流条件的传热管段比例由原先的60%提升到90%,从而有效地加强了近壁处传热滞流底层的对流传热作用。采用漩流片支撑取代空心环网板支撑,可使经过支撑物的流体形成自漩流的流动状态,从而可以发挥管间支撑物的对流强化传热作用。实际应用表明,与目前国内较先进的光滑管换热器相比,急扩加速流缩放管换热器换热面积减少约35%,设备总质量降低约45%。     

缩放管内湍流对流换热(Ⅰ)场协同控制机理

通过对缩放管管内湍流对流换热的模拟研究,考察了热边界层厚度、湍流强度及时均速度与时均温度梯度之间夹角的变化规律,得出了影响对流换热强度的场协同作用沿流动方向的分布规律.通过讨论两种不同结构尺寸缩放管的换热情况,发现流体在收缩段可获得较好的场协同作用,增强换热能力,而在扩张段场协同作用的效果减弱.     

壳程流体纵向冲刷型高效气-气管壳式换热器的传热与流阻性能的研究

本文以缩放管和螺旋槽管为强化传热管,以空气为传热介质,研究了在换热器壳程中以气体纵向冲刷为结构特征的气-气管壳式换热器的传热与流阻性能,并与弓形隔板管壳式气-气换热器在相同传热温差与传热负荷,相同气体流量与气体压降的条件下做了传热性能的比较,结果表明,缩放管气-气管壳式换热器的总传热系数要比弓形隔板管壳式气-气换热器高64.8%,可节省40%的传热面积.     

基于丝网探针的螺旋管内气液两相流气泡行为研究

核反应堆蒸汽发生器的传热面由螺旋管束组成。螺旋管的三维螺旋结构使得泡状流和塞状流等气液两相流中的气泡在重力、离心力和浮力等作用下在管道内部呈现不对称的相分布状态,两相滑移速度增大,显著影响换热性能并导致DNB型传热恶化难以预测。实验介质为空气-水,结合自主开发的电导式丝网探针技术并发展先进的数据后处理算法,实现了复杂流场的三维时空重构和离散气泡粒径的精细测量,获得了螺旋管内泡状流和塞状流的截面空泡分布规律。基于研究结果,可根据气泡分布规律对螺旋管道的几何结构进行调整以避免传热恶化,为螺旋管式蒸发器的安全设计提供了基础数据和优化思路。     

基于丝网探针的螺旋管内气液两相流气泡行为研究

核反应堆蒸汽发生器的传热面由螺旋管束组成。螺旋管的三维螺旋结构使得泡状流和塞状流等气液两相流中的气泡在重力、离心力和浮力等作用下在管道内部呈现不对称的相分布状态,两相滑移速度增大,显著影响换热性能并导致DNB型传热恶化难以预测。实验介质为空气-水,结合自主开发的电导式丝网探针技术并发展先进的数据后处理算法,实现了复杂流场的三维时空重构和离散气泡粒径的精细测量,获得了螺旋管内泡状流和塞状流的截面空泡分布规律。基于研究结果,可根据气泡分布规律对螺旋管道的几何结构进行调整以避免传热恶化,为螺旋管式蒸发器的安全设计提供了基础数据和优化思路。     

内插旋流片的管内流动与换热的数值模拟

通过数值模拟,详细考察了光管内间隔插有旋转角为270.°、旋流角为38.1°旋流片的速度场与热流场的分布特性及其相互间的协同，并对4种旋流片的场协同数进行了比较。结果表明，在同样Reynolds数下，根据场协同数的大小来排列的旋流片类型依次为270-38.1、180-38.1、270-20.3、180-20.3，且与传热性能高低排列是一致的。通过改善速度场与温度梯度场的协同程度是提高换热性能的一个有效手段，且内插旋流片能有效地改善速度场与温度梯度场的协同程度从而提高换热性能。