基于CFD的强化裂解炉管设计

通过计算流体力学(CFD)的方法,将丙烷裂解反应动力学与流动方程、能量方程耦合,考察了在普通裂解炉管中加装中空立交盘(hollow cross-disk,HCD)内构件对管内流动及裂解反应的影响。结果发现,HCD内构件通过壁面几何形状变化重布了流场结构,以合理的压力损失为代价产生径向速度,并诱导产生纵向涡剪切破坏边界层,强化了流体的湍动程度,降低热阻,提高了温度分布均匀性。相比于普通炉管,加入中空立交盘后,裂解管丙烷转化率提高7.24%,烯烃选择性提高3.67%,乙烯收率降低0.87%,但丙烯收率大幅上升16.50%,烯烃总收率上升6.94%。此外发现,纵向涡产生的径向流动促进了近壁区高温流体和管中心区相对低温流体的换位,流体温度最高下降了0.7℃;与普通炉管相比,新型裂解管出口处重组分浓度下降了28.33%,说明加入中空立交盘可防止近壁面高温区域过度裂解,有助于抑制结焦。在此基础上,结合模拟所得的场分布数据,定量分析了HCD强化传热和传质的机理,并就阻力损失和强化效果做出综合评价。     

基于CFD的强化裂解炉管设计

通过计算流体力学（CFD）的方法,将丙烷裂解反应动力学与流动方程、能量方程耦合,考察了在普通裂解炉管中加装中空立交盘（hollow cross-disk,HCD）内构件对管内流动及裂解反应的影响。结果发现,HCD内构件通过壁面几何形状变化重布了流场结构,以合理的压力损失为代价产生径向速度,并诱导产生纵向涡剪切破坏边界层,强化了流体的湍动程度,降低热阻,提高了温度分布均匀性。相比于普通炉管,加入中空立交盘后,裂解管丙烷转化率提高7.24%,烯烃选择性提高3.67%,乙烯收率降低0.87%,但丙烯收率大幅上升16.50%,烯烃总收率上升6.94%。此外发现,纵向涡产生的径向流动促进了近壁区高温流体和管中心区相对低温流体的换位,流体温度最高下降了0.7℃;与普通炉管相比,新型裂解管出口处重组分浓度下降了28.33%,说明加入中空立交盘可防止近壁面高温区域过度裂解,有助于抑制结焦。在此基础上,结合模拟所得的场分布数据,定量分析了HCD强化传热和传质的机理,并就阻力损失和强化效果做出综合评价。     

旋转式换热器换热效果的数值模拟研究

通过流体力学计算的方法,对一种新型的旋转式换热器进行了强化传热效果的模拟计算。计算结果表明,对比于静止情况,使用该新型旋转换热器可有效增强换热效果;总传热系数随着转速的增加而增加;但增强效果随着换热器内流体表观流速的增加而减弱。旋转式换热器强化传热的机理在于旋转消弱了壁面两侧冷热流体的速度边界层及温度边界层。     

旋流网板换热器强化传热机理分析

主要分析了用于硫酸转化系统气体换热的旋流网板换热器中旋流片强化传热的机理,在实验研究基础上,应用周期性单元流道模型,数值模拟了空心环和旋流片支撑时的流体湍流流动和传热性能。结果表明,旋流片能迫使流体做强烈的三维螺旋运动,增强流体湍流度,同时使流体冲刷壁面,减薄边界层,其传热效果优于空心环。旋流片产生的自旋流具有高效低阻的优势,其强化传热综合性能优于空心环。     

强化换热凹槽管内流动与传热数值模拟

以水为工作介质,应用三维常物性不可压缩流体稳态湍流模型,对凹槽管内的流动、阻力与传热性能进行了模拟研究,并与光滑管进行对比。结果表明,凹槽管主要通过扰动、漩涡使层流底层的局部温度梯度变大,从而使换热性能比光滑管强。凹槽结构能显著增强流体的扰动和相互掺混,并产生径向漩涡,减小边界层厚度,加剧流体湍流,促使边界层表面快速更新,从而强化传热,但同时也使其流动阻力增加。最后应用场协同理论,从局部换热角度分析了凹槽管强化换热的机制。强化换热另一重要途径是使换热器内速度场与温度梯度场之间夹角变小,改善速度场与温度场协同程度。     

三叶孔板换热器壳程流动及传热数值模拟

三叶孔板换热器是一种新型纵流换热器,广泛应用于核电装备领域。针对目前使用较多的壳程"单元流道"模型的局限性,建立了三叶孔板换热器壳程整体模型,包括进出口接管。采用商用软件FLUENT14.0及RNG k-ε湍流模型对壳程流体流动与传热进行了数值研究,分析了三叶孔板换热器壳程流动与传热特性。结果表明:流经第一块支撑板后,流体已充分发展,并且随着壳程结构周期性变化,传热与压降也呈现周期性变化。在支撑板附近,流体流速变大,形成射流,并且由于支撑板阻挡,在支撑板前面和尾部产生二次流,能有效冲刷管壁,减薄流动边界层,起到强化传热作用。     

三叶孔板换热器壳程流动及传热数值模拟

三叶孔板换热器是一种新型纵流换热器,广泛应用于核电装备领域。针对目前使用较多的壳程“单元流道”模型的局限性,建立了三叶孔板换热器壳程整体模型,包括进出口接管。采用商用软件FLUENT14.0及RNG k-ε湍流模型对壳程流体流动与传热进行了数值研究,分析了三叶孔板换热器壳程流动与传热特性。结果表明：流经第一块支撑板后,流体已充分发展,并且随着壳程结构周期性变化,传热与压降也呈现周期性变化。在支撑板附近,流体流速变大,形成射流,并且由于支撑板阻挡,在支撑板前面和尾部产生二次流,能有效冲刷管壁,减薄流动边界层,起到强化传热作用。     

纳米流体圆管内的湍流流动特性

采用Eulerian-Eulerian模型和Eulerian-Lagrange模型研究了TiO₂-水纳米流体在水平管内的湍流流动特性,并与实验结果进行对比分析,探讨了不同模型中各种相间作用力的影响。从微流动角度探索纳米流体的流动本质,从而进一步揭示其传热强化机理。结果表明：在壁面附近,纳米颗粒与水存在着明显的速度差异,相间的动量交换十分明显,从而强化了局部微流动,导致边界层变薄。纳米颗粒在整个流场内部是不均匀分布的,使得边界层内部换热能力得到大幅度增强。纳米流体流动特性的改变是影响其强化换热的主要因素。     

纳米流体圆管内的湍流流动特性

采用Eulerian-Eulerian模型和Eulerian-Lagrange模型研究了TiO2-水纳米流体在水平管内的湍流流动特性,并与实验结果进行对比分析,探讨了不同模型中各种相间作用力的影响。从微流动角度探索纳米流体的流动本质,从而进一步揭示其传热强化机理。结果表明:在壁面附近,纳米颗粒与水存在着明显的速度差异,相间的动量交换十分明显,从而强化了局部微流动,导致边界层变薄。纳米颗粒在整个流场内部是不均匀分布的,使得边界层内部换热能力得到大幅度增强。纳米流体流动特性的改变是影响其强化换热的主要因素。     

螺旋折流片强化换热器壳程传热数值分析

为了分析螺旋折流片强化换热器壳程传热机理,用FLUENT软件建立了套管换热器的三维模型,模拟得到了壳程内流场和温度场.数值结果表明,螺旋折流片强化传热的主要机理是螺旋片引起的螺旋流动使流体流速提高并产生二次流,减薄了边界层,促进了主流流体和边界层流体的混合.分析了传热系数、压降与雷诺数及湍流动能的关系,提出应将换热器的湍流动能限制在一定的范围内,以获得较好的综合性能.     

不同倾角螺旋叶片转子综合传热性能数值模拟

对叶片倾角在30°～60°之间的7种开槽螺旋叶片转子的湍流流动与传热特性进行了数值模拟研究。数值模拟采用RNG 湍流模型,采用SIMPLE算法进行速度和压力的耦合,对管内壁面采用强化壁面处理法。选取管程入口流量为2.6 m3/h时管程中部截面的速度场、温度场和湍流强度进行了分析,结果表明,开槽螺旋叶片转子可在换热管内引起旋流,增强管内流体湍动,促进对流传热。考虑转子引起传热和阻力两方面因素,采用综合评价指标PEC对7种不同倾角转子进行比较,叶片倾角为60°的开槽螺旋叶片转子具有较好的综合传热性能。     

螺旋缠绕波节管传热与流动性能分析

以水为工质,对螺旋缠绕波节管湍流状态下传热与流阻性能进行数值计算,分析了其强化换热的机理,并分析了波节深度H与波节间距P对其传热与流动阻力的影响。结果表明:相同工况下,螺旋缠绕波节管的综合换热性能优于螺旋缠绕光管;流体在管内做螺旋运动,由于离心力的作用,在垂直流体主流方向上产生二次流;管横截面周期性的扩张与收缩,使流体在波节内产生沿流体主流方向上的回流,它们对流体边界层产生很强的破坏作用,使湍流程度增强,对换热有较好的强化作用;随着波节深度H的增大,Nu提高,f增大,综合传热性能逐渐提高;随着波节间距P的减小,Nu提高,f降低,综合传热性能逐渐提高。     

外凸式波节套管换热器壳程流动与传热机理的数值模拟

针对波节套管换热器壳程中的流动和传热机理进行了k-ε的数值模拟研究。采用六面体网格结合波节区域加密的特殊划分方法,进行了首层网格间距和主流区网格间距的无关性分析。数值模拟结果与经验公式进行对比,验证了数值模拟方法的准确性。对比分析了波节管和光管中流动和传热参数（速度、温度、湍动能和湍流耗散率）的性能差异,揭示了波节管的强化换热机理。同时,分析了波节管的局部Nusselt数和阻力降沿壁面的变化规律。结果表明流体在波节的去流侧形成了一个脱体旋涡,破坏了流体的速度边界层和温度边界层,同时使得其内部的摩擦阻力和热扩散能力明显提高,起到了明显的强化换热效应。     

自转螺旋扭带管内湍流特性研究

应用激光测速仪LDV(Laser Doppler Velocimeter)对自转塑料螺旋扭带管的湍流特性进行了实验研究。结果表明：与普通光管内流体的流动相比,自转塑料螺旋扭带管内流体的湍流特性发生了根本性的变化：流体在自转塑料螺旋扭带的带动下,呈螺旋流动,而且在近管壁环形区域内流体的轴向分速度明显比管中心区域的高,提高幅度为25％左右,轴向湍流度比无自转扭带的大,提高幅度为68％左右;切向分速度随半径的增大而增大,而且切向湍流度很大,比轴向湍流度大10倍左右。流体的这些湍流特性的测得为自转塑料螺旋扭带管内对流传热强化机理的深入理论研究提供了实验支持。     

缠绕管式换热器壳程强化传热性能影响因素分析

由于内部流场信息缺乏,结构参数对流体流动的影响规律不明确,致使缠绕管式换热器壳程强化传热机理不明晰,阻碍其设计准则的进一步规范化和通用。针对上述问题,对缠绕管式换热器壳程流体流动进行几何建模及数值模拟,并通过文献中实验数据进行验证,进而基于该模型对壳程流体流场特性进行详细分析,分析关键结构参数对其壳程传热与阻力性能的影响,并探讨其强化传热机理。结果表明：Realizable k-ε湍流模型可较为准确地描述壳程流体流动;在双对数坐标系内,壳程Nusselt数随Reynolds数的增大而增大,阻力系数f则呈线性降低的趋势;壳程Nusselt数随缠绕管直径d与平均缠绕直径D的增大而增大,随螺距S的增大而减小,阻力系数f则相反;缠绕管直径d对壳程流体传热与阻力性能的影响最大,平均缠绕直径D的影响最小;增大缠绕管直径d与平均缠绕直径D有利于破坏流体速度边界层,增强流体扰动,加快温升速度,强化壳程传热,而增大螺距S则使速度边界层变厚,减小流动阻力的同时降低温升速度,不利于壳程强化传热。     

插入双面有三角形翅片的金属带对热交换管中流动和传热特性的影响

The convective heat transfer and friction behaviors of turbulent tube flow through a straight tape with double-sided delta wings(T-W)have been studied experimentally.In the current work,the T-W formed on the tape was used as vortex generators for enhancing the heat transfer coefficient by breakdown of thermal boundary layer and by mixing of fluid flow in tubes.The T-W characteristics are(1)T-W with forward/backward-wing arrangement,(2)T-W with alternate axis(T-WA),(3)three wing-width ratios and(4)wing-pitch ratios.The experimental result reveals that for using the T-W,the increases in the mean Nusselt number(Nu)and friction factor are,respectively,up to 165%and 14.8 times of the plain tube and the maximum thermal performance factor is 1.19.It is also obvious that the T-W with forward-wing gives higher heat transfer rate than one with backward-wing around 7%. The present investigation also shows that the heat transfer rate and friction factor obtained from the T-WA is higher than that from the T-W.In addition,the flow pattern and temperature fields in the T-W tube with both backward and forward wings were also examined numerically.     

基于火积耗散热阻的内置双旋线换热管性能研究

基于换热器火积耗散热阻理论,采用三维数值模拟计算方法,以水为流动介质,分别对内置双旋线外径为9mm、12mm、15mm、18mm的换热管的管内流场和火积耗散热阻进行研究,分析了内置双旋线换热管的传热和流动特性,结果表明：内置双旋线换热管内流体呈现三维螺旋状流动,管壁面附近周向和径向速度明显增强,从而中心区域流体和壁面附近流体充分混合;内置双旋线换热管的换热量与其积耗散热阻相对应,积耗散热阻越小,换热量越大;内置双旋线换热管的积耗散热阻随着雷诺数的增大而减小;内置双旋线换热管的协同性均优于光管,说明内置双旋线换热管具有良好的综合换热性能.     

纵向涡强化圆管内换热的数值模拟及性能分析

对布置有涡发生器小翼对的圆管内部湍流流动和强化传热特性进行了三维数值模拟。研究了涡发生器的形状和对数对流动传热特性的影响并采用综合性能指标进行优化。结果表明：涡发生器后横截面上产生的多纵向涡结构使管内流体混合更加充分,促进了壁面边界层与主流的动量和能量交换,提高了传热强度。每排4对矩形小翼时的换热性能最好,Nusselt数比光管平均提高了27.2%。相同形状下,每排4对涡发生器的综合性能均高于每排3对;相同对数下,梯形小翼的综合性能最好,三角形小翼次之,矩形小翼最差。每排4对梯形小翼时的整体综合性能最优,性能评价标准达到了0.97～1.07。     

螺旋隔板花瓣管油冷却器的传热强化

通过实验研究 ,比较了螺旋隔板花瓣管油冷却器和螺旋隔板低肋管油冷却器的传热和压降性能 .实验结果表明 ,螺旋隔板花瓣管油冷却器与螺旋隔板低肋管油冷却器相比 ,总传热系数提高 10 %以上 ,而压降却降低 46 %左右