自转螺旋扭带管内三维流动与传热数值模拟

建立了内置自转螺旋扭带管的三维流动模型,采用RNG k-ε湍流模型对管内流场进行了数值模拟,得到了流体的流动和传热特性.研究表明：自转扭带管内的流动是复杂的三维螺旋流动.流体在扭带与管内壁环缝区域的轴向速度比光管的大;流体在与扭带宽度等直径范围内的切向速度随半径的增大而增大,流体在扭带与管内壁环缝区域内也存在明显的切向速度,但随半径的增大而减小;而光管内流体的流动只有随机的切向运动,且其切向速度要比扭带管内的切向速度小2个数量级;扭带管流体的径向速度和湍流度也比光管的大.扭带管内流体近管壁区域轴向、切向、径向速度和湍流度的加大,强化了管内的对流传热,其表面传热系数大于光管.另外,速度场的模拟值与激光测试值进行了比较,二者吻合较好.     

换热管内塑料螺旋管强化传热的三维数值模拟

利用Fluent 6.2及辅助软件,对装有塑料螺旋线的换热管内流体流动及强化传热进行了计算机三维数值模拟,分析并比较了光管与有内置塑料螺旋线管的情况下管内流速、湍流度以及对流传热系数的分布改善情况,得出了流体的流动和传热特性。研究表明:螺旋通道内的流体明显的存在轴向、切向以及径向速度,且比光管的大。由于螺旋线的存在使得螺旋线管内流体的湍动程度加剧,它不仅阻止了污垢的生成,而且还有效的强化了管内的对流传热,其表面平均传热系数较光管提高了近20%左右;螺旋线管所带来的管路压降在工程容许的范围内,适用于流速低于0.8 m/s的换热器中。     

基于PIV法的管内插螺旋液固两相流流场特征

为探究管内插螺旋与液固两相流复合技术对流场与传热的影响机理,采用粒子图像处理技术(PIV)实验研究管内流体的涡量场及速度场分布规律。对比实验结果表明:内插螺旋液固两相流使流体呈螺旋流动,且增大流体的运动强度。在雷诺数Re=26 400～33 000,总平均涡量比光管增大21.4%～35.8%;径向速度呈正负波动分布,平均径向速度为光管的6.5～19.8倍,径向速度波动为光管的51～609倍;轴向速度沿壁面向管中心递增,轴向速度波动比光管增大41.5%～60.6%;平均湍动能比光管增大162.7%～254.6%,因此内插螺旋液固两相流复合技术更有利于传热。     

螺旋折流板换热器壳程流动特性

可视化实验研究了透明螺旋折流板换热器的壳程速度分布特征,重点研究了轴向速度的分布规律及对应的机理。结果表明,轴向速度按照折流板的螺旋周期呈周期性变化,不同流量下同一测点的轴向速度分布规律相似。轴向速度在换热器壳程周边区域分布比较均匀,沿轴向变化幅度较小,流动相对稳定,湍流度较低。由于受三角区漏流的影响,管束中心区域轴向流速急剧增大,沿轴向变化幅度较大,稳定性差,湍流强度较高。中心区域轴向速度平均值明显高于外围区域,离换热器中心越近,轴向速度越大。随着壳程流量的增大,中心区域轴向速度的增幅高于外围区域。管束中心处轴向速度波动剧烈,壳程流量较小时,中心处轴向流速平均值最大,随着流量的增加,湍流度增大,流体返混现象明显,中心处轴向流速平均值逐渐减小。     

螺旋折流板换热器壳程流动特性

可视化实验研究了透明螺旋折流板换热器的壳程速度分布特征,重点研究了轴向速度的分布规律及对应的机理。结果表明,轴向速度按照折流板的螺旋周期呈周期性变化,不同流量下同一测点的轴向速度分布规律相似。轴向速度在换热器壳程周边区域分布比较均匀,沿轴向变化幅度较小,流动相对稳定,湍流度较低。由于受三角区漏流的影响,管束中心区域轴向流速急剧增大,沿轴向变化幅度较大,稳定性差,湍流强度较高。中心区域轴向速度平均值明显高于外围区域,离换热器中心越近,轴向速度越大。随着壳程流量的增大,中心区域轴向速度的增幅高于外围区域。管束中心处轴向速度波动剧烈,壳程流量较小时,中心处轴向流速平均值最大,随着流量的增加,湍流度增大,流体返混现象明显,中心处轴向流速平均值逐渐减小。     

塑料斜齿平带管内三维流动及强化传热的数值模拟

利用Fluent 6.2及辅助软件对传热管内置带旋流口的塑料椭圆斜齿平带的流体流动及强化传热进行了计算机三维数值模拟,分析并比较了光管与有内置椭圆斜齿塑料平带的情况下管内流速、湍流度以及对流传热系数的分布改善情况。结果表明：平带管内流体的流动是以螺旋流动为主的复杂的三维流动;由于平带的扰流作用,使得平带管内流速、湍流强度得到了很大程度的提高,有效抑制了管内壁污垢的沉积,强化了传热,平带管内侧的平均传热系数较光管提高了45%,平带所带来的管路压降在工程许可的范围内,适用于流速低于0.8 m•s^-1的换热器中。     

换热器自转螺旋扭带自动阻垢技术应用研究

以内置自转塑料螺旋扭带换热器为研究对象,对换热管中有、无自转扭带时污垢的粘附速率、换热器的动态污垢热阻、管壁的磨腐速率进行了工业应用对比试验研究。研究结果表明:自转清洗扭带的防垢、除垢、清洗效果显著,扭带管的污垢平均粘附速率是普通光管的54%;动态污垢热阻比光管下降了30%;塑料扭带对管壁的磨损微乎其微。为自转螺旋塑料扭带的工业应用推广提供了依据。     

内插扭带强化换热过程及最佳螺距研究

与普通换热管相比,内插扭带传热管内由于螺旋涡的存在,使管内介质压力梯度增加、流速加快,从而提高管内传热系数。采用了FLUENT数值模拟计算,以水为管内流体介质,对内插扭带管进行传热特性分析。结果表明,随着雷诺数增大,努塞尔数呈直线增大,而摩擦阻力系数呈指数型减小;并且在相同雷诺数条件下,内插扭带管的摩擦阻力系数和努塞尔数均大于光管;通过综合因子评价方法确定了内插扭带强化换热的最佳螺距为50 mm,并且该方法适合于小雷诺数流动条件下的强化换热。     

立式水冷器螺旋齿管自动清洗技术

我国立式水冷器普遍低效的根本原因是水垢。依据冷却水流速低、落差大、可以利用的位能充裕的特点，研制成功塑料螺旋齿管自动清洗技术。其原理是以冷凝管与内管之问的螺旋流道替代管内截面形成成倍加速的螺旋线流动，使螺旋齿管获得较强的自转力矩。通过理论分析和不同结构参数的螺旋齿管的对比试验，得到的结果是：自转力矩与冷却水流量二次方成正比；较大的内管直径、较小的螺旋角有利于力矩强化；与纽带相比，自转力矩增大14l％，可以在0．4m／s左右的流速下可靠自转，污垢清洗能力更强，传热系数提高50％；制造简单，具有较高的工程应用价值。     

釜内螺旋半圆管夹套内流体湍流流动特性

采用实验和数值模拟方法对安装在反应釜内壁侧的螺旋半圆管夹套中流体的湍流流动特性进行了研究. 无量纲曲率d=0.133、无量纲螺距t=0.127的夹套中流体湍流速度场的实测与模拟结果吻合较好. 基于正交螺旋坐标系,给出了夹套内流体的速度场,包括平均轴向速度、二次流速度及二次流函数分布. 研究了平均雷诺数Re、d及t对速度场及流动阻力的影响. 结果表明,充分发展湍流条件下,釜内螺旋半圆管夹套横截面上,平均轴向速度最大值的位置有2个,二次流为恒定的4涡结构. 随Re和d增加,2对二次涡的强度及湍流流动阻力fRe均增加. 相对于釜外螺旋半圆管夹套,在0.05≤d≤0.1, 10000≤Re≤18000的范围内,釜内螺旋半圆管夹套中的湍流流动阻力fRe提高了2.13%~7.72%.     

工程用自动清洗强化斜齿扭带的研究

自动清洗强化斜齿扭带 ,其原理是在扭带表面上按一定规律排列不对称斜齿 ,使被导向的传热流体对扭带的不对称反作用力形成一个旋转力矩 ,解决了现有的塑料扭带不能用于低流速传热设备的自动清洗问题。试验结果表明 ,与现有光滑扭带相比 ,斜齿扭带自转清洗力矩增大了 2倍多、传热系数平均提高了 30 % ,即使 6m长传热管、四管程的传热设备的阻力也只有 0 .15MPa左右 ,仍然在一般的工程许可范围内 ,具有广阔的应用前景。     

水力旋流分离器内流动和油水分离的数值模拟

The fluid flow and oil-water separation were simulated using a Reynolds stress transport equation model of turbulence in water flow and a stochastic model of oil droplet motion,Simulation results give the axial and tangential velocity components,the pressure and turbulence intensity distribution and droplet trajectories for a hydrocyclone of F type and a hydrocyclone proposed by the present authors.The flow filed predictions are in qualitative agreement with the LDV measurements.The results show that the proposed hydrocyclone has better performance than the hydrocyclone of F type due to creating stronger centrifugal force and lower axial velocity.     

柔性大波纹管换热器的阻垢自清洗特性实验研究

对柔性大波纹管、普通被纹管和光管换热器的阻垢性能和自清洗性能进行了实验对比。结果表明,柔性大波纹管比普通波纹管和光管结垢速度慢,稳定后传热系数高,其管内湍流程度较高,周期性的轴向流速脉动和管束自振动都明显阻碍了积垢的形成,其自清洗能力也高于普通光管,有利于延长换热器的使用寿命,且具有良好的强化传熱性能、阻垢和自清洗等性能,是一种石油化工工业中具有广泛应用前景的传热元件。     

圆管内轴向旋转流切向速度湍流强度

采用热线风速仪(hot wire anemometry,HWA)测量了ø300 mm×2000 mm圆管内轴向旋转流瞬时切向速度随时间的变化,重点分析了切向速度湍流强度的分布特点和旋转流摆动对切向速度湍流强度的影响.测量结果表明,瞬时切向速度由高频的湍流脉动速度和低频的波动速度叠加构成.由于受旋转流旋转中心偏离圆管几何中心造成的旋转流摆动的影响,在圆管中心区域瞬时切向速度随时间的波动速度变化较大,边壁区域瞬时切向速度随时间的波动速度变化较小.通过对瞬时切向速度数据进行概率密度分析可知,切向湍流强度不仅受气流脉动的影响,还受旋转流中心摆动的影响,是由自身气流脉动产生的湍流强度和旋转流摆动产生的湍流强度两部分叠加构成.旋转流摆动导致了中心区域的湍流强度远大于边壁面区域的湍流强度.     

基于阶跃射流的撞击流反应器流场动态特性分析

利用实验与数值模拟方法对动态阶跃型撞击流反应器流场特性进行研究,分析不同入口速度条件下流体流动规律、湍流特性以及能量水平。结果表明,动态阶跃型入口条件下,撞击面在两喷嘴之间周期性移动,流动参数也会发生周期性变化。随着入口平均速率的增大,驻点速度逐渐增大;随着两喷嘴入口速率差的增加,撞击面移动速度加快,撞击区流体湍流强度逐渐增加;随着入口平均速率与入口速率差的增大,XOZ平面在一个周期内的平均湍动能逐渐减小。对比动态撞击流反应器与稳态撞击流反应器内流场特性,探究动态入口条件对撞击流反应器流场特性的影响。结果表明,动态阶跃撞击流反应器湍流黏度、湍流强度和湍动能等参数均明显高于稳态撞击流反应器,撞击轴线上的湍动能梯度分布大于稳态撞击流反应器。动态入口条件下撞击流反应器流体湍动更剧烈,能量水平更高,有利于增加流场内流体扰动与促进混合。     

自转清洗包塑钢丝螺旋的动力学特性试验研究

本文围绕自转清洗包塑钢丝螺旋的动力学特性进行实验研究。钢丝螺旋的自转动力矩特性,与管内流速的关系呈现为随流速增大而增大的抛物线曲线;开始自转需要的管内流速与钢丝螺旋自身的螺旋角大小关系,则是先随着螺旋角增大而减少、后来随着螺旋角增大而增大,并且以44°螺旋角为最低;管内沿程阻力与钢丝螺旋螺距大小的关系,则是随着螺距增大而显著减少。     

SMX型静态混合器湍流特的数值模拟

以SMX型静态混合器为研究对象,运用计算流体力学软件Fluent对3种结构静态混合器管内湍流流场进行数值模拟.结果表明:SMX型静态混合器的混合元件对流体有切割和分散作用,可使径向速度与周向速度的最大值达到轴向平均表观流速的2～2.5倍;流体流经3、4个混合元件后流动基本达到稳定;混合器前3个混合元件对流体湍动强化作用...     

Test of flow field on the annular meridian plane in a tubular membrane separator with rotary tangential flow

Enhancement of membrane microfiltration by rotary tangential flow is a new technique, which is based on the hydrocyclone mechanism. It improved the structure of the general membrane separator and the form of the liquid suspension flowing into the separator, so as to increase membrane fluxes and decrease membrane fouling. In our research, a tubular membrane separator with rotary tangential flow was designed for the first time. The flow field characteristics of polypropylene tubular membrane microfiltration in this tubular separator were studied systematically by means of the Particle Image Velocimetry (PIV) test. Streamlines and velocity distributions of the meridian plane of the separator under different operating parameters were obtained. The velocity distribution characteristics of rotary circular tangential flow were analyzed quantitatively with the following conclusions being obtained:

• (1) In the non‐vortex area, no matter how the operating parameters (flux, entry pressure) change, the velocity near the rotary tangential flow entrance is higher than the velocity far from the entrance at the same radial coordinates. In the vortex area, generally the flow velocity of the inner vortex is lower than that of the outer vortex. At the vortex center, the velocity is the lowest, the radial velocity being generally equal to zero. In the vortex zone, the radial velocity is less than the axial velocity.
• (2) Under test conditions, the radial velocity and the axial velocity of the vortexes' borders are 1–2 times the average axial velocity in the annular gap of the membrane module. The maximum radial velocity and axial velocity of Taylor vortexes are 2–5 times the average axial velocity in the annular gap of the membrane module.
• (3) In the vortexes that formed on the meridian plane, it was found that mass transfer occurred between the inner and outer parts of the fluid. Much fluid moved from the outer vortexes into the inner ones, which was able to prevent particles blocking the membrane tube.

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不同旋流数下湍流气粒两相流动特性的PDPA实验研究

利用相位多普勒仪 (PDPA)系统研究了不同旋流数下突扩旋风筒内气粒两相湍流特性的变化规律 .在相同的进口形状和总风量的条件下 ,分别测量了旋流数为 0、 0 .5和 1.0时气相和颗粒相的轴向、切向的平均速度和脉动速度 .结果表明 :旋流数的变化对轴向速度的分布和切向速度的似固核 -位涡结构 ,以及两相脉动速度和两相湍流各向异性都有比较明显的规律性影响 ;总体上 ,旋流对两相湍流起抑制作用 ,但随旋流数的增大 ,两相湍流脉动及其各向异性都有先减弱 ,后来又有所增大的趋势