基于场协同理论的高温热管散热模拟分析

为了提高碟式太阳能热发电系统的高温热管的散热特性,根据场协同理论,利用变分法构造拉格朗日函数,从而求出附加体积力的动量方程,采用数值模拟的方法研究了纵向涡流强度和进口流体雷诺数对水夹套管内对流换热和阻力特征的影响,提出了流场优化强化换热的方法。研究发现基于场协同理论纵向涡流可以明显强化水夹套管内的对流换热,但同时流体流动阻力也随之增大,并且流动阻力的增加幅度要小于对流换热增强的幅度;纵向涡流强度越大,进口流体雷诺数越大,流体具有更为优良的综合强化换热特征。     

非均匀热流边界条件换热管内流场优化研究

针对太阳能集热器换热管的强化换热问题,对在周向非均匀热流边界条件下基于场协同理论管内的流场分布进行了研究。采用了数值模拟的方法,利用变分法构造拉格朗日函数,求出了附加体积力的动量方程;对纵向涡流和换热管传热系数之间的关系进行了归纳,提出了流场优化强化换热,进而提高太阳能热利用率的方法。研究结果表明:周向非均匀热流边界条件下换热管内纵向涡流可以明显地强化管内的对流换热,但同时流体流动的阻力也随之增大,并且流动阻力的增加幅度要小于对流换热增强的幅度;纵向涡流流速越大,进口流体雷诺数越小,流体具有更为优良的综合强化换热特征。     

热量运输机理及在管内螺带强化传热的应用

在较小流速和较低粘度的假设条件下,通过对流体微元能量方程变换,提出热量运输的观点.据此观点分析影响对流传热的主要因素并发展场协同理论.对螺带插入换热管内的流体受力情况进行分析,指出各个力对流场的影响.结合热量运输的观点,提出改善管内流动阻力、提高综合传热效率的方法.运用数值模拟得到管内流体流动和传热特性的分布规律.分析表明螺带后光管长度大约500～600 mm时,此段光管具有最大的综合传热系数.分析还表明在较长换热管条件下,螺带插入长度有更大的调整空间,可根据实际情况调整螺带长度以获得较大的传热系数或者较低阻力损失,而综合传热系数依然保持较高水平.证实了在热量运输机理指导下开发新的强化传热结构的可行性.     

新型板式热交换器导流区数值模拟研究

建立了不同导流区结构的换热板片及其流道模型,并提出一种新型弧形导流区结构的换热板片及其流道,利用计算流体力学软件对流道内流体的流动和传热进行了数值模拟,分析了流道内的速度场、温度场和压力场。结果表明,新型导流区结构换热板片间的流体分布更均匀,在保持良好的传热性能情况下,压力损失明显降低。     

斜截椭圆柱式涡流发生器强化传热的大涡模拟

对流体在放置斜截椭圆柱式涡流发生器矩形槽道内的流动与传热特性进行大涡模拟,得出流场中速度、温度与压力参数的瞬态变化特性,再现温度场、压力场及诱导旋涡的变化过程,并对流动结构及涡流发生器强化传热的机理进行分析。为验证大涡模拟计算结果的准确性,在相同条件下对未布置涡流发生器的空槽道分别采用湍流模型和大涡模拟进行对比计算,两者的计算结果符合较好。计算结果表明：流场中布置的涡流发生器可以诱导漩涡,而由其所诱导的流向涡对强化传热起主要作用。与相同条件下未布置涡流发生器的情况相比,局部对流换热系数可提高64%～105%,平均对流换热系数则可提高17%～36%;涡流发生器附近位置的对流换热系数提高幅度最大,传热面附近流体的流动状况及流动结构与传热密切相关。     

翅片法向振动对流动和传热影响的仿真研究

散热对于航空电子设备十分重要，为了利用飞机振动提高航空电子散热能力，以及为航空电子设备的热设计提供参考，在计算流体力学软件中建立了平直翅片在流场中法向振动的仿真模型，并分析了振幅、振动频率和雷诺数对换热和流场流动特性的影响。结果表明：翅片在流场中的法向振动能够起到强化换热作用，随着振幅的增大或频率的提高，强化换热的效果更加明显。在文中研究的范围内，定义的换热强化率最高达229%。翅片振动可以在流体中形成多个由边界层处汇入主流的气团，加强了壁面附近热空气与主流的低温空气混合，因而增强了壁面与流体的热交换。强化换热效果是在来流的冷空气输运和振动引起的流体混合综合作用下获得的，当来流速度不断提高，输运作用逐渐占据主导时，流体混合作用相对变小，使换热强化率降低。     

换热器中的场协同原则及其应用

叙述了对流换热中的场协同强化原则,对流换热中速度场与温度场的协同能够提高换热系数,换热器中冷、热流体温度场间的协同能够提高换热器的效率。此外,还从换热系数和换热器两个层次上讨论了场协同强化原则在提高换热器性能方面的应用。     

扭旋叶片组合方式对静态混合器湍流传热性能的模拟分析

分别对一个截面上安有1～4个扭旋叶片的静态混合器的湍流传热性能进行模拟分析,并利用热量传递势容耗散评价四种组合方式下静态混合器的传热性能.研究结果表明,在相同的粘性耗散条件下,单叶片与双叶片组合的热量传递势容耗散量接近,四叶片组合的热量传递势容耗散量最低,三叶片组合在两者之间;四叶片组合的传热效率最高,三叶片组合次之,双叶片组合与单叶片接近.多叶片组合排列方式形成的多纵向涡明显改善了近壁区二次流速度场与温度场的协同性.     

强化单相对流换热的基本机制

对强化对流换热的强化机制研究的进展做了回顾与综述,包括:①将场协同原理从抛物形流动推广到椭圆形流动.②通过数值模拟与试验的手段,对场协同原理进行了多方面的验证,特别是设计了专门的试验台,验证了当流速与流体的温度梯度方向垂直时流体流动对该方向的热量传递没有贡献.③用数值分析实例论证了场协同原理能将现有文献中三种关于强化传热的解释统一起来,从而是一种最基本的强化传热的机制.④应用场协同原理开发了两种高效强化传热结构,它们与基本结构相比,具有传热强化的倍率高于阻力增加的比的特点.最后提出了场协同原理需要进一步研究的内容.     

基于场协同的缩放管管外强化传热数值模拟

为研究缩放管管外强化传热性能,利用CFD软件对缩放管和光滑管管外对流传热进行了数值模拟。模拟结果表明:两种管外换热系数都随Re增加而增加,同种工况下缩放管管外侧传热系数是光管的1.5~1.8倍,但随着Re的进一步增大,强化传热有所减弱。最后,应用温度场和速度场的协同理论分析强化传热机理,结果表明:缩放管管外速度场与温度场之间夹角较小,协同程度好,从而达到强化传热目的。     

错列排布S型翅片流道内流动与传热特性数值研究

对错列排布的S型翅片流道内的流体流动与传热特性进行了数值计算研究,考查了局部、流场分布,分析了不同雷诺数下局部传热系数分布,随着雷诺数增加,传热系数升高.同时从场协同的角度分析了传热系数变化的原因.与传统波纹翅片结构进行对比,S型翅片结构协同角降低,场协同程度提高,对流传热系数增加.     

从场协同到热力学耦合:流动换热强化的热力学机制

根据热流的散度方程,分析质量流与热流之间不同相位关系时流动换热强化的两种热力学机制。当质量流与热流之间同相位时,两者的相位差越小,流动换热的强度越大,它反映两个正熵产率的自发过程之间能量传递的场协同机制,且传热过程熵产率随传质过程熵产率的增加而增加;当质量流与热流之间反相位时,两者的相位差越大,流动换热的强度越大,它反映正熵产率的自发过程与负熵产率的非自发过程之间的能量转换的热力学耦合机制,且传热过程熵产率随传质过程熵产率的增加而减小。质量流与热流之间由同相位到反相位,分别对应着场协同时的能量传递机制及热力学耦合时的能量转换机制,共同反映了体系流动换热时能量的最小耗散原理。     

螺旋板式热交换器传热与流动特性试验研究

基于理论分析,设计并制造了4台典型结构的螺旋板式热交换器。通过试验研究了关键结构参数当量直径d_e、定距柱密度n,冷流体进口温度T对螺旋板式热交换器传热与流动特性的影响规律。结果表明:换热面积相近的样机,当量直径由19.7增至37.9时,总传热系数相对增加9%,平均压力降相对降低45%;定距柱密度由200增至800时,总传热系数相对增加17%,平均压力降相对增加129%;冷流体进口温度的提高既可使流体之间的传热效果增强,又能减小流体流动的阻力。基于试验数据对湍流状态下螺旋流的对流换热系数和压力降的准则式分别进行了拟合及验证,对流换热系数拟合公式的平均相对误差为5.4%,压力降拟合公式的平均相对误差为6.3%,为螺旋板式热交换器的能效评价奠定了基础。     

新型板式换热器导流区特性的数值模拟及场协同分析

增大总传热系数和减小压降是当前研究改善板式换热器性能主要关注的两个方向。为分析导流区结构对板式换热器传热、压降以及场协同关系的影响效果,建立两种板式换热器计算模型。利用计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)软件对两种板式换热器模型内流体不同工况下的流动和传热特性进行数值模拟,对比分析了两种模型流道内的速度场、温度场和压力场以及各场间协同性,并利用强化换热综合性能指数(Performance evaluation criteria,PEC)进行评价。结果表明:新型导流区使板式换热器板间流体的速度场与温度场分布更均匀,压降阻力减少,其综合性能更优。同时,场协同理论分析也表明,新型导流区改善了速度与压力场的协同关系。该新型板式换热器导流区设计对于提高板式换热器性能具有指导意义。     

散热器翅片结构对流体流动及换热过程影响的数值仿真研究

用CFD软件FLUENT对散热器常用的平翅片和波纹翅片表面的流体流动及换热过程进行了数值模拟,获得了翅片表面的流场、温度场、压力场以及换热量、换热系数的变化规律。模拟结果表明在相同气流量的条件下,波纹翅片的压力损失比平翅片的大,平均表面换热系数及换热量均比平翅片的高,翅片的形状结构对流场分布和强化换热效果的影响较大。     

螺旋折流板换热器局部流场和温度场的数值研究

建立连续螺旋折流板换热器和四分螺旋折流板换热器模型,采用大型CFD分析软件FLUENT借助数值模拟的方法,研究螺旋折流板换热器局部流场和温度场的分布规律,并采用耗散原理对两种折流板结构下换热器的综合性能进行对比研究。结果表明,以耗散分析为指标的评价标准同以换热器综合性能为指标的评价标准具有一致性。相同的壳程流量下,同四分螺旋折流板换热器相比,连续螺旋折流板换热器耗散值较小。两种折流板类型的换热器局部流场和温度场分布均呈现出相同的规律,壳程中心部位,换热管壁面传热系数最高,沿壳体径向,流体螺旋流动状态和换热管壁面传热系数均呈现先减小后增加的现象。同连续折流板相比,折流板的不连续性在小流量下能够促进壳程中心部位的局部传热,当流量增大到一定程度则表现为减弱壳程中心部位的局部传热。计算结果为改进螺旋折流板结构形式提供了理论依据。     

梯形波纹板式换热器换热性能试验研究

以水-水为换热介质,采用某型号梯形波纹板式换热器进行换热性能试验研究,通过流体流动状态、温度变化、压降和总换热系数对两种操作方式进行评价。结果表明,同时增加冷热流体流速的方式能够提升湍流度,并且可以将换热效率提高16. 35%,但是该操作方式升温效果较差,而且当冷热流体流速比值大于1时压降大、能耗也大。同时,通过等流速法计算获得换热准则方程和阻力准则方程,并计算获得梯形波纹板冷热流体的对流换热系数,结果表明,当2 000 相似文献   

湿式离合器热流固耦合温度场及应力场分析

为深入研究湿式离合器接合过程温度场和应力场分布规律,针对摩擦副与润滑油对流换热,充分考虑其温度场、变形场和流场之间的相互作用,基于能量守恒定律和摩擦副动态接合过程工作机理,建立摩擦副热流固耦合数学模型,运用Abaqus与STAR-CCM+协同仿真,建立湿式离合器摩擦副三维热流固耦合有限元模型,并将该模型仿真结果与热机耦合仿真结果对比分析.结果表明:所建立的热流固耦合模型使摩擦副接触面温度和应力显著降低,径向温度梯度和应力梯度减小,流体-固体耦合表面温度场分布与摩擦副类似,流体出口温度上升.     

辐射式空调器的设计与数值模拟

为提高房间空调器的舒适度,设计一种辐射式空调器.采用辐射板换热器代替传统空调器中的室内贯流风机.以常规的室内空间为模型,应用辐射和自然对流传热理论建立热平衡方程.以20 lnz的房间为例,在常规的供热和制冷负荷条件下,对辐射板进行外型尺寸和板面温度的设计计算,得到满足房间冷热负荷要求的辐射式空调器系统.以此为基础,采用计算流体动力学方法对该模型房间采用不同换热形式(辐射板换热器和强迫对流翅片管式换热器)空调器后的室内温度场和速度场进行仿真计算,通过对比采用不同换热形式的计算结果,得出采用辐射式空调器空间的温度和气流速度分布更为均匀,验证了辐射式空调器的优越性.     

螺旋外肋管换热器壳侧流体流动与换热特性数值研究

利用CFD技术,研究了螺距及肋高对螺旋外肋管换热器壳程流体流动和换热性能的影响。建立了壳程周期性单元流道模型并进行数值计算,详细分析了不同螺距、肋高对壳程流体流动及换热的影响。结果表明,适当地减小螺距可以有效地强化管壁对流换热效果,同时伴随着摩擦阻力系数的增大,但综合换热性能更强。在高雷诺数区域,随肋高的增大,螺旋外肋管的换热性能随肋高的增加比较明显,而摩擦阻力系数的变化与肋高变化的程度大致相同。速度场和温度场的平均协同角随螺距的减小而减小,协同程度增强。提出了螺旋外肋管换热器壳程换热及阻力性能公式供相关工程设计参考,并对外肋管换热器壳程综合强化性能做出了评价。