最小损优化方法在椭圆换热管内的应用

在流体对流换热分析的基础上得到局部损率的表达式,以局部损率为优化目标,满足能量与质量守恒条件,在流动功耗为定值条件下,根据拉格朗日泛函极值原理得到损为极值时的控制方程组,发展了最小损优化方法。将该方法应用到椭圆换热单管中,得到优化后的速度场与温度场。优化结果表明,优化流动结构为纵向旋流,具有较好的传热及流动性能,相比未优化椭圆管综合换热性能(Nu/Nus)/(f/fs)可达3.21,同时得到了纵向涡在流场中的分布情况,这对椭圆管内强化换热发展具有指导意义。     

管束结构对开缝翅片椭圆管换热器性能的影响

在模化试验验证的基础上,对不同横向管间距S₁、纵向管间距S₂和椭圆管长短轴比a/b的开缝翅片椭圆管换热器进行了数值模拟,分析了管束结构的差异对开缝翅片椭圆管换热器性能的影响。结果表明：横向管间距在60.55～70.55 mm范围内,空气侧Nu和Eu均随S₁减小而增大,S₁为60.55 mm时换热器综合流动传热性能最好;纵向管间距在65～75 mm范围内,空气侧Nu随S₂减小而增大,Eu变化不明显,S₂为65 mm时换热器综合流动传热性能最好;横向管间距对开缝翅片椭圆管换热器传热、流动性能的影响较纵向管间距更为明显;在等周长条件下,椭圆管长短轴比a/b在1.5～2.5范围内,a/b为1.8时换热器综合流动传热性能最好。研究成果可为此类换热器在工程实际中的应用与进一步优化提供依据。     

椭圆管束对流换热性能的数值模拟研究

运用计算流体力学(CFD)FLUENT软件,对水横掠叉排椭圆管束时管外流动和换热性能进行了二维数值模拟。结果表明,增加纵向或横向管间距,管束尾部的漩涡数量和大小都会有所增加,换热性能降低;纵向或横向管间距的减小,都会对尾部漩涡产生抑制作用,使换热性能提高。来流速度的增加会使管束换热效果增强。综合考虑管束换热性能以及阻力因素,纵向管间距与管束特征尺度的比值为3.0~3.5、横向管间距与管束特征尺度的比值为1.75,来流速度为4m/s时,可以实现低压损的情况下换热效果的显著提升。     

黏度随温度变化对三角形螺旋夹套内湍流流体流动及换热的影响

考虑受热流体黏度随温度变化的影响,对三角形螺旋夹套内流体湍流换热进行了数值模拟分析。经与实验结果比对,证明了模拟方法可靠。基于模拟结果重点分析了受热流体黏度变化对流道内流体流动和换热特性的影响,剖析了受热流体的截面平均流动阻力(fRe_m)和平均Nusselt数(Nu_m)沿流动方向的发展特点,并比较了不同流动参数和不同结构参数下流道内受热流体定黏度和变黏度时流体总流动阻力和传热系数的差别。结果表明:考虑流体黏度随温度变化时会明显影响三角形螺旋夹套内流体的流动和换热特性。对比两种流体fRe_m和Nu_m沿流体流动方向的发展过程发现,在早期、中间和后期发展3个阶段中,后期发展阶段中两种流体的发展趋势明显不同;相同来流条件和热边界条件下,与定黏度流体相比,同一横截面上变黏度流体各点的局部流动阻力较小,而局部Nusselt数却较大,因此变黏度流体总的流动阻力较小,而总的传热系数较大;Reynolds数越低,流道量纲一曲率越小,变黏度受热流体的流动和换热性能与定黏度流体流动和换热性能相比差异愈明显,则考虑流体黏度随温度变化对流体流动和传热的影响更为重要。     

纵向涡发生器在管翅式换热器中的应用及优化

纵向涡发生器能够在较大幅度提升换热器换热能力的同时,较小幅度地增加其流动阻力。利用三维数值模拟的方法,详细分析和研究了纵向涡发生器对管翅式换热器传热流动的影响;并对纵向涡发生器的关键参数（攻角,数目,摆放位置）进行了优化。结果表明：纵向涡发生器的攻角为15°,采用3对矩形小翼时,管翅式换热器的空气侧换热能力的提升幅度超过了其流动阻力增加的幅度,与未采用强化措施的换热器相比,其空气侧传热系数提升了71.3%～87.6%,相应的流动阻力增加了54.4%～72%;空气侧的换热能力随着纵向涡发生器数目的增加而逐渐变大,但空气侧的局部换热能力在第5根换热管之后几乎不受涡发生器数目的影响;与纵向涡发生器的顺排布置相比,纵向涡发生器以交错叉排的方式布置时,可以在保证强化换热水平的同时,进一步减小换热器流道内的流动阻力。     

泡沫填充方式对管内超临界CO2流动换热的影响研究

超临界CO₂工质在太阳能热发电系统中的应用能够有效提升整个系统的效率、紧凑性和环境友好性，因此有必要优化超临界CO₂用太阳能集热器的综合性能。提出了泡沫材料有效热导率新的预测模型，并研究了不同泡沫材料填充方式对集热管内超临界CO₂流动与换热性能、管壁温度分布的影响规律。结果表明，环形填充方式（沿管内壁填充）的流动换热综合性能指标(j/j _c)/(f/f _c)^1/3最优，净吸热量最大，管壁最高温度最低且温度分布最均匀。     

管束结构对开缝翅片椭圆管换热器性能的影响

在模化试验验证的基础上,对不同横向管间距S_1、纵向管间距S_2和椭圆管长短轴比a/b的开缝翅片椭圆管换热器进行了数值模拟,分析了管束结构的差异对开缝翅片椭圆管换热器性能的影响。结果表明:横向管间距在60.55~70.55 mm范围内,空气侧N_u和E_u均随S_1减小而增大,S_1为60.55 mm时换热器综合流动传热性能最好;纵向管间距在65~75 mm范围内,空气侧N_u随S_2减小而增大,E_u变化不明显,S_2为65 mm时换热器综合流动传热性能最好;横向管间距对开缝翅片椭圆管换热器传热、流动性能的影响较纵向管间距更为明显;在等周长条件下,椭圆管长短轴比a/b在1.5~2.5范围内,a/b为1.8时换热器综合流动传热性能最好。研究成果可为此类换热器在工程实际中的应用与进一步优化提供依据。     

方形微通道内超临界CO2流动换热特性研究

采用SST k-ω湍流模型对加热条件下超临界CO₂在方形微通道内的流动换热特性进行了数值模拟。通过对比三种壁面平均传热系数、浮升力参数和二次流强度的沿程变化研究了管型、热通量、质量流量和倾斜角度对微通道内流动换热性能的影响。结果表明：水平方形微通道的整体换热性能优于相同水力直径的半圆形微通道。流体域典型截面的温度分布、速度分布和湍动能分布等信息可以很好地解释水平方向流动时上、下壁面传热差异的现象。减小热通量、增大质量流量或减小流体流动方向与重力方向之间的夹角,可提高方形微通道的整体换热水平。该模拟结果对以超临界CO₂为工质的微通道换热器的设计和优化具有一定的理论指导意义。     

螺旋椭圆管换热器传热特性与阻力特性研究

旨在研究螺旋椭圆管式换热器管内流动换热性能。借助CFD数值模拟方法分析了流体入口角度θ和椭圆截面长短轴之比a/b对螺旋椭圆管式换热器管内流动和换热的影响,并且利用综合传热增强因子PEC评价了换热器的综合换热性能。结果表明:螺旋椭圆管内存在二次流,导致螺旋椭圆管截面内温度梯度和速度梯度径向分布不均;在研究范围内,θ增大,努塞尔数Nu增加,摩擦系数f提高,综合换热性能增加;θ>45°时,螺旋椭圆管综合换热性能优于螺旋圆管。θ一定时,a/b越大,综合换热性能越好。通过对多种不同结构的螺旋椭圆管进行多工况数值模拟后,修正了现有的准则关联式,提高了准则关联式的准确度。     

CO2管内流动沸腾换热模型评价研究

CO₂由于良好的环境特性和优良的热力学特性,被认为是一种理想的替代制冷剂。与传统制冷剂相比,CO₂有着十分不同的流动沸腾换热特性。然而现有的换热关联式都是基于各自的实验数据拟合得出,由于数据点太少和变量参数范围受限导致关联式的预测结果大相径庭。所以建立更加全面的CO₂管内流动沸腾换热数据库对不同换热模型进行对比分析,对于深入了解CO₂管内流动沸腾换热特性和研究更加准确的换热关联式具有重要意义。通过从24篇文献中搜集的4040个实验数据点对6个CO₂的管内流动沸腾换热模型进行对比分析,发现Fang（2013）关联式误差最低为10.6%,并绘制了气液相Reynolds数随管径的变化,气液相Reynolds数的变化的散点图以及Nusselt数随Bond数变化的趋势图,可为深入了解CO₂管内流动沸腾换热特性和将来研究更加准确的新型换热关联式提供参考。     

基于热力学第二定律的ORC蒸气发生器性能优化

为了更深入地研究低温余热驱动ORC系统的设计与优化,建立了有机朗肯循环蒸气发生器主要热力性能计算模型,基于热力学第二定律,以蒸气发生器单位换热面积工质?升作为性能优化目标函数,选取了R245fa作为循环工质,在给定烟气进口温度以及保证循环工质在蒸气发生器出口为饱和蒸气条件下,对不同工况下的工质质量流速进行优化,并分析了在一系列换热管管径下,烟气入口温度、工质入口压力、管外对流传热系数、单根换热管烟气质量流量对目标函数及工质最优质量流速的影响。结果表明：工质入口压力与管外对流传热系数对最优工质质量流速影响显著,随着工质入口压力与管外对流传热系数的增大,最优工质质量流速增大,对应的换热管径减小;而烟气入口温度、单根换热管烟气质量流量对最优工质质量流速影响甚微。     

恒热流工况下管内对流换热火用传递特性

从管内传热与流动的特点出发,基于热力学第一、第二定律和非平衡热力学理论,对壁面恒热流工况下,管内充分发展段对流换热的火用传递过程进行了研究,定义了对流换热传火用系数、火用流密度、传火用Nusselt数和对流换热火用传递方程,并导出相应的计算式;讨论了Reynolds数、量纲1热通量和不同截面位置等参数对对流换热火用传递过程的影响;最后将传火用和传热的结果进行了比较.     

Enhancing convective heat transfer based on minimum power consumption principle

Equation of power consumption in the flow process of micro-fluid elements has been deduced in this paper by analyzing the mechanical energy equilibrium equation of microelement based on the stress relation of Newtonian fluid. By setting minimum power consumption as optimization objective and entransy consumption as constraint condition, optimization flow field equation for convective heat transfer on the basis of energy conservation equation and continuity equation are constructed. Numerical investigations of forced convective heat transfer in a circular tube based on the optimized controlling equations are conducted, and the results show that there are multi-longitude-vortexes existing in velocity field, which leads to an enhancement of heat transfer. The analysis for the heat transfer and flow resistance shows that this kind of flow field accommodates a far greater heat transfer increase than flow resistance increase, which proves that the proposed optimization theory is effective in designing high efficient heat transfer enhancement unit.     

CO2水合物浆在水平圆管中的传热特性

在CO₂水合物浆流动传热特性测试实验系统上,采用套管式电加热的方法对CO₂水合物浆进行了分解实验,并对CO₂水合物浆的流动传热特性进行了分析。对CO₂水合物浆的相变特性进行了研究,得到CO₂水合物浆的相变温度在8～12℃。研究了在固相体积分数为13.2%以及流速为0.45m/s的条件下CO₂水合物浆在内径为8mm的水平不锈钢管中的传热特性,计算得到CO₂水合物浆在不锈钢水平圆管中的对流传热系数为1500～1800 W/(m²·K),并且其在流动传热过程中呈现先增大随后趋向平稳的趋势,在水合物的相变区相应的对流传热系数表现最大。研究了分解加热功率对管壁温和对流传热系数的影响,发现加热功率对管壁温度的影响较强。在实际应用中可利用CO₂水合物浆的相变作用来增强传热,提高传热效率。     

一种新型变截面换热管强化传热性能

针对工程中广泛存在的管内层流换热传热系数低的问题进行了强化传热研究,并在传热强化理论的指导下,开发了一种新型变截面换热管。分别建立不同参数下的新型变截面换热管和普通圆管模型,采用大型CFD分析软件FLUENT借助数值模拟的方法,研究新型变截面换热管结构对管内层流换热的影响。研究结果表明,该新型变截面换热管在层流情况下可较大程度地强化管内换热,而其流阻增加较小,具有良好的综合强化传热性能。在本文研究的范围内,变截面换热管的Nu和η均随L₁/d_i或L₂/d_i的减小而增大,且η>2.22。计算结果为强化管内层流换热提供了一定的指导和理论依据。     

一种回转窑余热回收用集热器的实验研究及其结构优化

减少回转窑表面的散热损失对冶金、化工等高耗能行业的节能减排具有重要意义。针对现有窑表面集热器回收效率较低的现状,提出了一种新型集热器,并通过实验测量与数值计算分析了其换热性能。建立了集热器换热量与管长、管径及管子数等结构参数的数学关系,分别以换热面积、进出口压降以及改进的熵产数为优化目标,利用遗传算法分别对其进行了结构设计,结果表明,优化后集热器的辐射换热所需的换热面积减小15%,对流换热所需的换热面积减少20%左右。优化后两种形式的换热面所消耗的泵功明显减少。优化后集热器的传热熵产数与优化前无明显变化,而流动熵产数得到明显降低。     

Numerical study on non-uniform heat transfer deterioration of supercritical RP-3 aviation kerosene in a horizontal tube

The convective heat transfer of supercritical-pressure RP-3(Rocket Propellant 3) aviation kerosene in a horizontal circular tube has been numerically studied, focusing mainly on the non-uniform heat transfer deterioration along the circumferential direction. The governing equations of mass, momentum and energy have been solved using the pressure-based segregated solver based on the finite volume method. The re-normalization group(RNG) k-ε turbulence model with an enhanced wall treatment was selected. Considering the heat conduction in the solid wall, the mechanism of heat transfer deterioration and the buoyancy effect on deteriorated heat transfer were discussed. The evolution of secondary flow was analyzed. Effects of the outer-wall heat flux,mass flux, pressure and tube thermal conductivity on heat transfer were investigated. Moreover, the buoyancy criterion and the heat transfer correlation were obtained. Results indicate that the poor flow performance of near-wall fluid causes the pseudo-film boiling, further leads to the heat transfer deterioration. The strong buoyancy has an effect of enhancing the heat transfer at the bottom of tube, and weakening the heat transfer at the top of tube, which results in the non-uniform inner-wall temperature and heat flux distributions. Decreasing the ratio of outer-wall heat flux and mass flux, increasing the pressure could weaken the heat transfer difference along the circumferential direction, while the effect of thermal conductivity of tube on the circumferential parameters distributions is more complicated. When the buoyancy criterion of(Gr_q/Gr_(th))_(max)≤ 0.8 is satisfied, the effect of buoyancy could be ignored. The new correlations work well for non-uniform heat transfer predictions.     

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。     

涡轮增压柴油机余热利用的有机郎肯循环烃类高温工质热力学分析

通过能量分析和㶲分析,对涡轮增压柴油机的不同余热源进行优选;在此基础上,对余热利用的有机朗肯循环进行了热力学分析,选取了10种烷烃类高温工质,通过建立能量平衡方程和㶲分析方程,研究了蒸发压力对不同烷烃类工质的热效率、单位质量烟气净功、㶲效率、系统㶲损和膨胀机体积流量比（VFR）的影响规律。结果表明：废气再循环余热为最佳热源;所有工质的热效率、单位质量烟气净功、㶲效率和VFR随着蒸发压力的增加而增加,㶲损随着蒸发压力的增加减少;相同蒸发压力下,直链烷烃类工质的热效率、单位质量烟气净功、㶲效率和VFR随着工质临界温度的增加而增加,㶲损随着工质临界温度的增加而减少;在保证VFR≤50的工况下,环戊烷具有最高的热效率和㶲效率。