新型循环射流混合器湍流特性分析

采用Fluent SST k-w湍流模型,分别对新型循环射流混合器受限区域内喷嘴射流自相似性和挡板长度对射流轴线衰减规律进行了数值研究. 对自由湍动圆射流在不同轴向距离下数值模拟所得无量纲速度衰减曲线与理论曲线吻合较好. 通过三维湍流流场分析对混合器内流体流动进行分区,并利用涡量分布分析混合器内的流体循环流动情况. 结果表明,在z/H=0.25时,平均涡量达最大值áw?max=11.22. 相平面角度qp<20o时,áw?为正,其余为负. 特别是qp=16o时,áw?max=27.22;qp=20o时,áw?min=-100.66. 由剪切速率分布得出较大的剪切速率分布于尾涡的位置. 最后给出了强化混合效果应考虑的因素.     

网状孔板纵向流换热器壳程流体流动及换热的三维数值模拟

利用Fluent软件对网状孔板纵向流换热器壳程流体流动及换热进行了三维数值模拟,得到了壳程流体温度场、速度场及压力场等细观信息。根据模拟的结果,揭示了网状孔板强化壳程流体换热的机理,分析了壳程流体沿轴向流动及换热的性能,总结了近壁区流场及温度场的特点。     

双扭旋叶片组合形式对管内湍流换热性能的影响

在圆管内一个截面上安装两个扭旋叶片的组合形式会产生多个纵向涡,纵向涡的形式与强弱受相邻两组叶片旋向和错位角的综合影响。为探究各种组合形式对湍流换热性能的影响,研究了6种不同组合形式某一截面上速度与温度梯度和压力梯度的协同程度,得出结论：错位角对Nu和压力降的影响明显大于叶片旋向的改变。在近壁区,增加错位角可以提高速度与温度梯度的协同程度,而且相邻两组叶片旋向相反形式优于旋向相同的形式;但旋向相同形式的速度与压力梯度的协同程度优于旋向相反形式,然而这种差距会随着错位角的增加而减小,当错位角为90°时,在y/R<0.75时协同程度非常接近。     

螺旋半圆管夹套内湍流流动与传热的数值模拟

应用CFD分析软件Fluent,在简化模型的基础上对螺旋半圆管夹套内的三维湍流流动及换热进行了数值模拟. 结果表明,夹套内与螺旋线垂直的横截面上,切线方向的时均速度等值线呈鞍状分布,弯曲外壁侧的速度梯度远大于直内壁侧;二次流为稳定的两涡结构,二次涡的中心位置在半圆形截面的2个尖角附近. 由于二次流的作用,换热壁面上局部努塞尔数Nulocal分布不均,最小值在壁面中心点处,最大值在中心点两侧,研究范围内,最小值为平均值的0.8~0.85倍,最大值为平均值的1.15~1.25倍. 螺距对夹套内充分发展段的流体流动及换热的影响很小;增大曲率,夹套的换热能力增强,同时流动阻力也增大.     

旋流静态混合器内瞬态压力的混沌动力结构突变特性

为更好地揭示旋流静态混合器内竖直上升螺旋流中混沌动力结构突变规律,在湍流状态下(Re=1756~3512),基于动力指数分割算法,分析了混合器内不同区域的压力脉动时间序列在结构突变点左右两部分的动力学结构指数分布,研究了流量变化对压力波动时间序列的混沌动力学结构指数的影响,并利用动力学指数的最大统计值Tmax定量表征旋流静态混合器内复杂流动的混沌突变特性. 结果表明,当Re≤2107时,静态混合器压力波动信号的平均突变统计指数随Re增加而增大;当Re≥2458时,管壁尺寸对流体湍动约束增强使流体动力结构差异趋于稳定. 径向二次流使漩涡中心处的动力结构差异复杂程度是壁面处的2~3倍;轴向切割分流作用产生的动力结构是移位混合作用的8~10倍. 瞬态压力波动信号的动力学指数模型能较好地挖掘旋流静态混合器内流场瞬时突变结构.     

反应釜内螺旋半圆管夹套内流体的湍流换热性能及熵产分析

应用CFD软件研究了安装在反应釜内壁侧的螺旋半圆管夹套内流体的湍流换热特性,分析了雷诺数Re和曲率d对换热特性的影响,并以熵产数为指标对夹套换热性能进行了基于热力学第二定律的分析评价. 结果表明,弯曲换热壁面两侧主二次涡涡心附近无量纲温度最小,而壁面中心点附近最大,是换热最差的部位. 同一d下,Re增加使二次涡强度和流体湍动能增大,夹套换热综合性能系数Num/f增大;同一Re下,d增加使二次涡强度增大而流体湍动能减小,Num/f值减小. 研究范围内,釜内夹套换热壁面的平均努塞尔数Num为釜外夹套的1.168~1.241倍,摩擦阻力系数f为其1.021~1.077倍. 结构确定的夹套存在一个最佳平均雷诺数(Reop)使换热过程的不可逆损失最小,随d增加,Reop逐渐增大. 半圆截面2个尖角附近是夹套内有用能损失的主要部位.     

循环射流混合槽内瞬态压力波动非线性标度特性

在湍流状态下(Re=3660~32940)利用动态数据采集系统对新型循环射流混合槽射流混合区内不同轴向、径向和周向位置的瞬态脉动压力进行测量,研究了压力波动的湍动能量及其时间结构函数的扩展自相似标度律. 基于压力波动信号的递归率和能量分布特点,确定瞬态压力波动分析的初始优化参数. 结果表明,数据长度n≥80000时,时间序列的波动能量趋于稳定且相对变化率低于0.3%,其对数值与雷诺数存在线性关系;瞬态压力波动的q阶与3阶时间结构函数的双对数存在线性关系,同时波动信号的q阶时间结构函数的标度指数x(q)小于同阶时间结构函数相对标度指数x(q, 3),相对标度指数x(1, 3)和x(5, 3)[或x(2, 3)和x(4, 3)]关于x(3, 3)对称分布,q≥4时相对标度指数x(q, 3)随极角q增加而增大;q<3的相对标度指数x(p, 3)随r/R和qm的变化与q≥4时的相对标度指数分布相反.     

翼型涡发生器对半圆形螺旋通道的换热强化机理

为考察不同形状和布置方式的翼型涡发生器强化半圆形截面螺旋通道的换热特性,对单一以及安装了jxjs、jxjk、sjjs和sjjk 4种涡发生器的螺旋通道内流动与换热特性进行了数值研究,数值模拟结果与实验结果吻合较好。结果表明,研究范围内涡发生器前后180°范围内的换热壁面平均Nusselt数与单一通道的相应值之比的平均值在1.044～1.074之间,流动阻力系数f/f₀在1.105～1.188之间。对传热效果而言,矩形翼优于三角形翼,对翼渐缩布置优于渐扩布置。涡发生器产生的纵向脱落涡旋改变了原有的二次流场结构,改善了速度场和温度场的协同性,强化了传热。安装jxjs和sjjs型涡发生器的复合二次流场分别为4涡和2个大涡结构,Re=8000时两者在通道内强化换热作用范围分别可达10.47和12.56倍翼高的距离。     

三角形螺旋流道充分发展层流流体的流动性能

基于角钢螺旋夹套,展开了对三角形螺旋流道层流流动性能的实验和数值研究。经对比,同一模型下的实验结果和模拟结果吻合良好。采用数值方法得到了充分发展状态下流体的主流速度、二次流速度、流函数及涡量的分布特点,分析了三角形边界上局部阻力系数的分布规律,并与半圆管螺旋流道进行了比较。结果表明：在所研究的Dean数及量纲1曲率（k）内,流道横截面上的二次流为稳定的两涡结构,内、外壁面局部阻力系数的分布明显不同,外壁面局部阻力系数的平均值约为内壁面阻力系数平均值的1.54～2.72倍;随着Dean数及k 的增大,二次流动增强,内、外壁面阻力系数均增大;对于量纲1挠率及Dean数均较小的三角形螺旋流道,挠率对流体流动的影响很小;通过对比,两种流道具有相同内壁面面积、曲率半径、螺距及Reynolds数时,三角形螺旋流道的流动阻力小于半圆管螺旋流道。     

SK型静态混合器切割区内速度混沌特性

为揭示SK型静态混合器内非稳态流动特性,利用激光多普勒粒子分析仪对直径为0.04m、长径比为1.25的SK型静态混合器的切割区瞬时流场进行测量。采用功率谱和最大Lyapunov指数识别混合器内瞬时速度时间序列的混沌特性,利用湍流高阶矩参数分析混沌运动的统计特征。实验结果表明:SK型静态混合器切割区速度波动时间序列具有混沌特性;功率谱函数随频率的增加呈幂函数衰减,瞬时速度脉动主要能量集中在31.25Hz以下;湍流高阶矩分布揭示了切割区内的速度脉动存在非线性拟序结构,混沌运动的概率密度函数偏离高斯分布。