螺旋管内幂律流体流动换热数值模拟

研究幂律流体在螺旋管内的流动换热特性可为石油开采工程中驱油剂的应用提供理论支持。文章通过建立流体流动换热模型,分析了幂律流体在螺旋管内的流动换热特性。结果表明:螺旋管沿程阻力系数和努塞尔数均随曲率值增加而增大。层流工况下,随着雷诺数的增大,沿程阻力系数减小,努塞尔数增大;湍流工况下,在雷诺数一定时,沿程阻力系数和努塞尔数均随曲率值和相对粗糙度的增大而增大,且粗糙度越大,曲率对沿程阻力的影响也越大,而当粗糙度一定时,曲率值越大,雷诺数对沿程阻力系数的影响越明显。     

内置偏心螺旋扭带换热管层流传热的数值模拟

利用数值模拟方法对本文提出的内置偏心螺旋扭带换热管模型的层流传热特性进行计算与分析.研究结果表明:在一定的结构参数范围内,换热管的对流传热系数随着扭带偏心率的增加而增大,且雷诺数越大增幅越显著;在层流状态下,增大扭带偏心率能降低流体流动阻力系数,特别是在较低雷诺数下,阻力系数降低的程度更为明显;在雷诺数及扭带偏心率一定的情况下,换热管的对流传热系数随扭带扭率的减小而增大,但阻力系数也相应增大;换热性能评价指标在层流状态下均大于1,且随着偏心率及雷诺数的增加而变大,但当Re1 500后评价指标产生小幅波动,表明流体逐步由层流状态过渡到湍流状态.     

正弦波脉动流对微通道内流体流动与传热特性的影响

采用数值计算方法研究了两种结构微通道内由于入口速度的正弦变化而发展的非稳态层流流动与换热特性.分别研究了脉动频率、振幅以及雷诺数对流体在微通道内流动与传热的影响.研究结果表明，在雷诺数为100～400时，脉动流动对矩形通道底面温度与换热性能影响较小，但对三角凹穴结构通道有着显著影响.随着脉动频率的增加，通道底面温度先增加后减小.证明存在一极限频率使得小于该频率时通道底面温度升高，大于该频率时则降低.随着振幅的增加，通道底面温度在减小，换热不断增强.但是，随着雷诺数的增加，脉动流动的作用逐渐减小.脉动频率与振幅的增加都会使得通道的压降增加.     

波壁管中脉动流动的数值模拟

利用数值模拟的方法,文中对脉动流动下波壁管内流体的流动和换热特性进行研究,分析了脉动参数雷诺数Re、斯德鲁哈尔数St以及振动分率P对波壁管中流体的传热和阻力特性的影响.结果表明:Re、St与P对流体的换热特性均有影响,在脉动流场下,波壁管内流体的传热强化幅度随雷诺数Re的增大而先增大后减小;与斯德鲁哈尔数St以及振动分率P均成正比关系.随着St的增加,摩擦阻力系数在较低St时几乎不发生变化,而在较大St时明显发生变化,但随着St的增加,平均摩擦系数f_(m)几乎不发生变化;平均摩擦系数f_(m)随振动分率P的增加而逐渐增大,随雷诺数Re的增大而逐渐减小.     

等腰直角三角形螺旋流道内湍流流体流动性能模拟

应用CFD软件研究等腰直角三角形螺旋流道内湍流流体流动特性,计算并对比不同结构参数的数值模型充分发展的湍流流场结构,得出流道内、外壁面的局部阻力系数分布,并分析雷诺数(Re)、曲率及挠率对流体流动阻力的影响.结果表明:等腰直角三角形螺旋流道内湍流流体的二次流为稳定的两涡结构,离心力的作用使外壁面处流体轴向速度梯度远大于内壁面处,因此外壁面的平均阻力系数较大,外壁面的平均阻力系数约为内壁面的1.5~1.7倍.壁面流体平均阻力系数随Re和无量纲曲率的增大而增大,但受挠率影响不大.     

窄环形流道流体阻力与传热特性的研究

以蒸馏水为实验工质,用紫铜管对间隙为0.540～2.685 mm和间隙为0.540 mm的窄环形流道的流体分别进行了阻力和传热特性的实验研究。结果表明：窄环形通道内流体流动出现了从层流向湍流过渡提前的现象,且转捩雷诺数随着窄环隙尺寸的减小而降低。当Re〉750时,窄环形流道能够加强传热效果;而当Re〈750时,出现传热恶化现象,窄环形通道的传热系数小于理论计算的传热系数。     

Fully Developed Turbulence of Power-Law Fluids in Circular Pipe Based on Large Eddy Simulation

幂律流体圆管湍流的大涡模拟

王淑彦^1,2, 李淼¹, 王树青³, 李好婷¹, 陈羽佳¹, 马一玫¹, 孙启冀¹

（1.东北石油大学 石油工程学院, 黑龙江 大庆 163318;

2.提高采收率教育部重点实验室（东北石油大学）, 黑龙江 大庆 163318;

3.中国石油大庆油田股份有限公司第四采油厂, 黑龙江 大庆 163511）

摘 要：本文采用动态亚格子模型,对幂律流体在圆管内的充分发展湍流流动进行了大涡模拟（LES）,得到了不同幂律指数下的湍流流动信息。文中分析了平均轴向速度、脉动速度均方根和雷诺应力等随着幂律指数增加的变化趋势,得出随着幂律指数的增加对数区的平均轴向速度减小,脉动速度均方根和雷诺应力的值增大,模拟结果表明剪切稀化流体比剪切稠化流体的非牛顿特征更明显。同时对湍流流动的高阶统计量（偏斜因子和平坦因子）进行了分析,结果表明随着幂律指数的减小,轴向脉动的偏斜因子和平坦因子在近壁面区增大,随着幂律指数的减小轴向脉动的间歇性和非对称性更强。不同幂律指数下的湍流流动变化明显,进一步说明了幂律指数对幂律流体的湍流流动有重要影响。模拟结果与直接数值模拟结果吻合较好,证实了大涡模拟可以用来预测较大雷诺数情况下幂律流体流动的湍流特性。

关键词：大涡模拟;幂律流体;充分发展湍流

     

旋转矩形截面螺旋管内对流传热特性的研究

利用数值计算方法研究了旋转矩形截面螺旋管内的粘性流动，分析了在离心力、科氏力共同作用下曲线管道中的二次流动结构、轴向流速分布、截面温度分布、摩擦系数比以及管道Nusselt系数数比随各参数的变化情况，计算结果表明：对于不同截面的矩形螺旋管道，当旋转方向和主流方向相同时，旋转的作用与增大Germano数的作用相同，使得管道摩擦系数变大，管道换热效果增强；而当旋转方向和主流方向相反时，管道内流动结构变化十分明显，当F≈-1．3时，二次流出现类似于直扭管内的鞍状流动结构，轴向速度类似与静止直管内的流动结构，管道内的摩擦系数近似于静止直管内的磨擦系数，换热效果减至最弱。     

幂律流体在部分填充多孔介质平板通道内的流动特性研究

研究了幂律流体在部分填充多孔介质平板通道内的流动特性，通过边界层动量积分法求解了Brinkman-Darcy流动模型的动量方程，得到了幂律流体在部分填充多孔介质平板通道内的无量纲速度分布。计算分析发现，未填充多孔介质区域的无量纲速度和速度峰值随填充厚度的减小先增大后减小，填充厚度较厚时：随达西数与幂律指数的减小而增大；随着填充厚度减小，达西数对速度峰值的影响减弱，速度峰值随幂律指数的减小而减小。     

恒热流工况下螺旋管内层流换热性能数值模拟

在恒热流工况下,数值模拟雷诺数为200～1000,无量纲螺距为0．1～0．2,曲率为0．1～0．3的螺旋管内不同截面上的温度场分布和速度场分布以及雷诺数、曲率和无量纲螺距对轴向不同截面上平均努谢尔特数、平均摩擦系数以及总熵产的影响规律。结果表明,随着转角增大,二次流作用加强,且垂直于轴向截面的最大速度向管的外侧移动,而温度分布出现两个Dean涡胞;轴向截面平均努谢尔特数和摩擦系数以及总熵产随雷诺数、曲率和螺距的变化呈现不同的规律;与曲率相比,螺距对热力性能的影响程度相对较小;且流动引起的熵产和传热引起的熵产相比可忽略不计。     

塑性流体在光滑圆管内的湍流流动及屈服应力对流动的影响

本文应用随机湍流模型对塑性流体在光滑圆管内的湍流流动规律进行了研究,得到了包括近壁区域在内的断面时均速度分布和平均速度、沿程阻力系数的计算公式。结果表明,塑性流体的屈服应力对湍流流动的影响是由比值τ_0/τ_w(τ_0为屈服应力,τ_w为管壁处切应力)的大小来决定的,随着雷诺数R_e((?))的增大或管径减小,这种影响将很快衰减,而屈服应力对无因次速度剖面的分布影响很小。     

高Pr数流体在三维内肋管中临界雷诺数研究

采用正交试验设计方法,以未使用过的润滑油为工质,对高Pr数流体在肋叉排列三维内肋管中的流动特性进行了试验研究.结果表明:采用肋叉排列的三维内肋管可使高Pr数流体在较低的雷诺数下实现从层流向湍流的转变,其临界雷诺数Recr范围为100～200.在工程应用中,采用三维内肋管进行高黏度流体换热,容易使流动处于换热系数较高的湍流区获得明显的强化换热效果.用最小二乘法对试验数据进行多元线性回归,得到了肋叉排列的三维内肋管肋形结构对流态转变的临界雷诺数的准则方程式,为后续的分区强化传热提供参考.     

扇形流道内Stokes流动特性的数值模拟

针对低雷诺数下外壁旋转的扇形截面流道内的流动特性进行数值模拟,得到不同扇形角度下的速度、涡量及流函数的分布规律.研究结果表明:在低雷诺数下扇形流道内的三维Stokes流可以分解为两个二维流动,即压力降推动的轴向流及圆弧外壁旋转诱发的扇形腔内截面流;流道内的轴向速度和周向速度与扇形角平分线成对称分布关系,而径向速度成反对称关系;随着扇形角度的减小,流道内会出现多个涡流区域,各涡流区域内的速度场、涡量场及流函数均具有自相似性,说明外壁旋转的扇形流道内的流体具有混沌运动特征;雷诺数相同的情况下,流道内的涡量随着扇形角度的减小而增大,表明小角度扇形截面流道有利于流体的混合.     

幂律流体的二维层流自由射流

应用层流边界层方程,导出幂律流体二维层流自由射流的常微分方程,对该微分方程求数值解。结果表明,在相同的x处,n>1的流体的最大射流速度较n=1时增加,而射流宽度减小,n<1时则相反;并且,n值偏离1愈远,这种增加或减小愈甚。计算表明,射流宽度与x~(2/3n)成正比。     

DQ法分析一般支承输流管道的固有特性

采用微分求积法研究两端受线弹簧支承和扭转弹簧约束的一般支承输流管道的固有特性.根据微分求积法的模拟方程具体分析弹性支承刚度、质量比、流体压力和流速,管道黏弹性系数和管截面轴向力等主要参数对管道固有特性的影响.数值仿真结果表明,在一定支承刚度范围 内,管道固有频率随弹性支承刚度、管截面轴向拉力的增加而增大,随流体流速、管道黏弹性系数、流体压力和管截面轴向压力的增加而下降.两端弹性支承可以根据管道的支承刚度仿真管道实际支承情况,计算结果比较接近工程实际.     

外壁转速对圆环扇形截面流道内流动特性的影响

圆环扇形直流道内的流体在轴向压降及外壁旋转共同作用下形成三维螺旋流动,针对不同外壁转速下的三维螺旋流动进行数值模拟,探究不同轴向雷诺数以及周向雷诺数下外壁转速对流体三维速度分布的影响规律.研究结果表明:在较低的外壁转速下,周向速度关于环扇形流道截面角平分线成对称分布,而径向速度关于角平分线成反对称分布;随着外壁转速的提高,三维速度分量的对称或反对称关系遭到破坏,速度中心的径向及周向位置随外壁转速产生有规律变化;外壁旋转的圆环扇形流道内具有三个涡流区域,其中靠近外圆柱面的主螺旋涡旋转方向与外壁面旋向相同,而靠近内圆柱面上下角点的两个Moffatt涡旋向与外壁面转动方向相反;主螺旋涡在外圆柱面带动下向其旋转方向偏移,而距离主螺旋涡中心较远的Moffatt涡在低压作用下涡流区域随外壁转速的提高而显著增大.     

低雷诺数条件下湍流度及湍流梯度对翼型气动特性的影响

以分布式动力垂直起降(VTOL)飞行器起降时的复杂流场研究为背景,对低雷诺数条件下来流湍流度/湍流梯度对翼型的气动特性影响进行了研究。采用C型结构网格及■转捩模型求解非定常雷诺平均Navier-Stokes(URANS)方程的方法,对NACA0012翼型在不同湍流度/雷诺数下的气动特性进行了研究,并与实验值进行对比,验证了计算方法的可靠性。研究了不同湍流度、雷诺数及湍流度梯度对翼型气动特性的影响,分析了其对翼型绕流转捩过程产生影响的机理。研究表明,处于较高湍流度或雷诺数的翼型绕流流动特征更加稳定,分离泡尺度更小,流动分离有所推迟,失速迎角更大,但是二者对转捩提前作用的机理不同;湍流度梯度对翼型的气动影响受到雷诺数及湍流度大小的限制,处于较高湍流度梯度的翼型绕流在流动分离、转捩及再附方面均得到了提前;层流分离泡的产生和演化与湍流度及雷诺数大小密切相关,其尺度与位置也影响着翼型的气动特性。     

基于COMSOL PDE仿真的垂直板驻点混合对流与传热

研究了不可压缩粘性流体在垂直指数延伸壁面上的边界层流动与传热问题.通过相似变换将边界层控制方程转换为非线性常微分方程,并利用COMSOL软件的PDE(偏微分方程)模块进行仿真求解.讨论顺流和逆流时浮力参数λ和Prandtl数Pr对流体流动和传热特性的影响.结果显示:顺流时,表面摩擦系数和Nusselt数均随浮力参数λ的增大而增大;随着Pr数增大,Nusselt数增大而表面摩擦系数减小.逆流时,表面摩擦系数和Nusselt数均随浮力参数λ的增大而减小,随Pr增大而增大.     

压力对R134a流动换热特性的影响

实验研究了压力参数对R134a在螺旋管内流动换热特性的影响,结果表明在液态单相对流换热阶段,换热系数随压力升高而减小,在流动沸腾换热阶段,换热系数随压力的升高而增大。从压力对定压比热容、气泡行为特性影响的角度解释了原因。实验结果可为应用于空调器的螺旋管式蒸发器设计计算提供基础数据。     

堵塞条件下棒束通道的流场与阻力特性

棒束通道结构复杂、流道狭窄,堵流事故下燃料可能丧失冷却并迅速升温,威胁其完整性,因此有必要对堵塞情况下棒束通道内的流场与压降特性开展研究。本文针对3×3棒束通道不同堵塞率条件下的流动问题,采用PIV测量及压降测量技术,获得了堵塞件下游的速度场分布及沿程和局部阻力系数的变化规律。结果表明:堵塞件下游3倍水力直径内存在涡流与回流现象,在堵塞件下游10倍水力直径下游堵塞件的影响基本消失;堵塞件的局部阻力系数在层流区下降较快,过渡区趋于平缓。涡的影响范围随堵塞物下游湍流程度的增大而减小,层流区雷诺数变化对堵塞物下游流态影响较大,进入过渡区这一影响逐渐减小。